El "suelo transparente" podría ayudar a los agricultores a lidiar con futuras sequías

n una investigación que eventualmente puede ayudar a los cultivos a sobrevivir a la sequía, los científicos de la Universidad de Princeton han descubierto una razón clave por la que mezclar material llamado hidrogeles con suelo a veces ha resultado decepcionante para los agricultores.

Las perlas de hidrogel, pequeñas gotas de plástico que pueden absorber mil veces su peso en agua, parecen ideales para servir como pequeños depósitos subterráneos de agua. En teoría, a medida que el suelo se seca, los hidrogeles liberan agua para hidratar las raíces de las plantas, lo que alivia las sequías, conserva el agua y aumenta el rendimiento de los cultivos.

Sin embargo, mezclar hidrogeles en los campos de los agricultores ha tenido resultados irregulares. Los científicos han luchado por explicar estos resultados desiguales en gran parte porque el suelo, al ser opaco, ha frustrado los intentos de observar, analizar y, en última instancia, mejorar los comportamientos de hidrogel.

En un nuevo estudio, los investigadores de Princeton demostraron una plataforma experimental que permite a los científicos estudiar el funcionamiento oculto de los hidrogeles en los suelos, junto con otros entornos comprimidos y confinados. La plataforma se basa en dos ingredientes: un medio granular transparente, es decir, un paquete de perlas de vidrio, como sustituto del suelo, y agua dopada con un químico llamado tiocianato de amonio. El químico cambia hábilmente la forma en que el agua dobla la luz, compensando los efectos distorsionadores que normalmente tendrían las perlas de vidrio redondas. El resultado es que los investigadores pueden ver directamente un globo de hidrogel coloreado en medio del suelo falso.

"Una especialidad de mi laboratorio es encontrar la sustancia química adecuada en las concentraciones adecuadas para cambiar las propiedades ópticas de los fluidos", dijo Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal del estudio que aparece en la revista Science Advances. el 12 de febrero . "Esta capacidad permite la visualización en 3D de los flujos de fluidos y otros procesos que ocurren dentro de medios opacos normalmente inaccesibles, como el suelo y las rocas".

Los científicos utilizaron la configuración para demostrar que la cantidad de agua almacenada por los hidrogeles está controlada por un equilibrio entre la fuerza aplicada cuando el hidrogel se hincha con el agua y la fuerza de confinamiento del suelo circundante. Como resultado, los hidrogeles más blandos absorben grandes cantidades de agua cuando se mezclan con las capas superficiales del suelo, pero no funcionan tan bien en las capas más profundas del suelo, donde experimentan una mayor presión. En cambio, los hidrogeles que se han sintetizado para tener más enlaces cruzados internos y, como resultado, son más rígidos y pueden ejercer una fuerza mayor sobre el suelo a medida que absorben agua, serían más efectivos en capas más profundas. Datta dijo que, guiados por estos resultados, los ingenieros ahora podrán realizar más experimentos para adaptar la química de los hidrogeles a cultivos específicos y condiciones del suelo.

"Nuestros resultados brindan pautas para diseñar hidrogeles que pueden absorber agua de manera óptima en función del suelo en el que deben usarse, lo que podría ayudar a abordar las crecientes demandas de alimentos y agua", dijo Datta.

La inspiración para el estudio provino de que Datta se enteró de la inmensa promesa de los hidrogeles en la agricultura, pero también de su incapacidad para cumplirla en algunos casos. Buscando desarrollar una plataforma para investigar el comportamiento del hidrogel en suelos, Datta y sus colegas comenzaron con un suelo falso de perlas de vidrio de borosilicato, comúnmente utilizado para diversas investigaciones de biociencia y, en la vida cotidiana, bisutería. Los tamaños de las perlas variaban de uno a tres milímetros de diámetro, de acuerdo con el tamaño de los granos del suelo suelto y sin empaque.

En el verano de 2018, Datta asignó a Margaret O Connell, entonces una estudiante de pregrado de Princeton que trabajaba en su laboratorio a través del programa ReMatch + de Princeton , para identificar aditivos que cambiarían el índice de refracción del agua para compensar la distorsión de la luz de las perlas, pero aún así permitir que un hidrogel absorba de manera efectiva agua. O Connell tomó una solución acuosa con un poco más de la mitad de su peso aportado por tiocianato de amonio.

Nancy Lu, estudiante de posgrado en Princeton, y Jeremy Cho, entonces postdoctorado en el laboratorio de Datta y ahora profesor asistente en la Universidad de Nevada, Las Vegas, construyeron una versión preliminar de la plataforma experimental. Colocaron una esfera de hidrogel de color, hecha de un material de hidrogel convencional llamado poliacrilamida, entre las perlas y recopilaron algunas observaciones iniciales.

Jean-Francois Louf, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Datta, luego construyó una segunda versión perfeccionada de la plataforma y realizó los experimentos cuyos resultados se informaron en el estudio. Esta plataforma final incluía un pistón ponderado para generar presión en la parte superior de las perlas, simulando un rango de presiones que un hidrogel encontraría en el suelo, dependiendo de la profundidad a la que se implanta el hidrogel.

En general, los resultados mostraron la interacción entre los hidrogeles y los suelos, según sus respectivas propiedades. Un marco teórico que el equipo desarrolló para capturar este comportamiento ayudará a explicar los confusos resultados de campo recopilados por otros investigadores, donde a veces los rendimientos de los cultivos mejoraron, pero otras veces los hidrogeles mostraron beneficios mínimos o incluso degradaron la compactación natural del suelo, aumentando el riesgo de erosión.

Rubén Juanes, profesor de ingeniería civil y ambiental en el Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en el estudio, ofreció comentarios sobre su importancia. "Este trabajo abre oportunidades tentadoras para el uso de hidrogeles como condensadores del suelo que modulan la disponibilidad de agua y controlan la liberación de agua a las raíces de los cultivos, de una manera que podría proporcionar un verdadero avance tecnológico en la agricultura sostenible", dijo Juanes.

Otras aplicaciones de los hidrogeles pueden beneficiarse del trabajo de Datta y sus colegas. Las áreas de ejemplo incluyen la recuperación de petróleo, la filtración y el desarrollo de nuevos tipos de materiales de construcción, como el concreto infundido con hidrogeles para evitar el secado excesivo y el agrietamiento. Un área particularmente prometedora es la biomedicina, con aplicaciones que van desde la administración de fármacos hasta la cicatrización de heridas y la ingeniería de tejidos artificiales.

"Los hidrogeles son un material realmente genial y versátil con el que también resulta divertido trabajar", dijo Datta. "Pero aunque la mayoría de los estudios de laboratorio se centran en ellos en entornos no confinados, muchas aplicaciones implican su uso en espacios reducidos y confinados. Estamos muy entusiasmados con esta sencilla plataforma experimental porque nos permite ver lo que otras personas no podían ver antes. "

El trabajo fue apoyado en parte por la National Science Foundation y el High Meadows Environmental Institute en Princeton.

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