„Per dirvą“ gali padėti ūkininkams susidoroti su būsimomis sausromis, kad galėtų ištirti paslėptą hidrogelių darbą

Galiausiai atlikus tyrimą, kuris galėtų padėti pasėliams išgyventi sausrą, teigė mokslininkai Prinstono universitetas jie nustatė pagrindinę priežastį, kad medžiagos, vadinamos hidrogeliu, sumaišymas su dirvožemiu kartais buvo nemalonus ūkininkams.

Panašu, kad mažiems požeminio vandens rezervuarams labai tinka hidrogelio grūdeliai, maži plastikiniai brangakmeniai, galintys vandenyje sugerti tūkstantį kartų didesnį svorį. Teoriškai, sausėjant dirvožemiui, hidrogeliai išleidžia vandenį, kad drėkintų augalų šaknis, taip palengvindami sausras, išsaugodami vandenį ir padidindami pasėlių derlingumą.

Tačiau hidrogelių maišymas ūkininkų laukuose turėjo prastus rezultatus. Mokslininkams buvo sunku paaiškinti šiuos netaisyklingus derlius, nes dirvožemis, būdamas nepermatomas, sužlugdė bandymus stebėti, tirti ir galiausiai pagerinti hidrogelio elgesį.

Naujame tyrime Prinstono tyrėjai parodė eksperimentinę platformą, kuri leidžia mokslininkams tirti paslėptą hidrogelių funkcionavimą dirvožemyje kartu su kitomis suspaustomis uždaromis aplinkomis. Platforma turi du komponentus: skaidrią granuliuotą atramą, kuri yra stiklo grūdelių rinkinys, kaip dirvožemį, ir vandenį, su priedu su chemine medžiaga, vadinama amonio tiocianatu. Cheminė medžiaga aiškiai keičia vandens iškraipymo būdą ir kompensuoja iškraipantį poveikį, kurį stiklo grūdeliai paprastai daro apvaliuose. Rezultatas yra tas, kad tyrinėtojai gali tiesiogiai pamatyti spalvingą hidrogelio balioną tarp netikros žemės.

„Viena iš mano laboratorijos specialybių yra tinkamos koncentracijos chemikalų radimas, norint pakeisti skysčių optines savybes“, – sakė žurnale pasirodžiusio tyrimo autorius Sujitas Datta, Prinstono chemijos ir biologijos inžinerijos docentas. . Mokslo pažanga 2021 m. Vasario 12 d. “Ši galimybė leidžia 3D vizualizuoti skysčių srautus ir kitus procesus, vykstančius paprastai nepasiekiamuose substratuose, tokiuose kaip dirvožemis ir uolienos.”

Aiškus hidrogelio vaizdas

Prinstono tyrėjai naudojo borosilikatinio stiklo grūdus, o ne dirvožemį, kad ištirtų hidrogelių, veikiančių kaip vandens rezervuarai, ūkio laukuose elgseną. Mokslininkai naudojo priedą grūdų iškraipymui ištaisyti, kad aiškiai stebėtų hidrogelį. Datta ir kt. / Prinstono universitetas. Autoriai: Datta ir kt. / Prinstono universitetas

Mokslininkai naudojo konfigūraciją, kad įrodytų, jog hidrogeliuose sukauptas vandens kiekis yra pripūstas kartu su hidrogelyje esančiu vandeniu ir kad jis kontroliuoja pusiausvyrą tarp aplinkinio dirvožemio sulaikymo jėgos. Dėl to minkštesni hidrogeliai sugeria didelius vandens kiekius, sumaišytus dirvožemio paviršiniuose sluoksniuose, tačiau neveikia gilesniuose dirvožemio sluoksniuose, nes yra didesnis slėgis. Vietoj to, susintetinti hidrogeliai, turintys daugiau vidinių ryšių, todėl yra standesni ir sugeria vandenį, todėl sugeria didesnę dirvožemio jėgą, todėl gilesniuose sluoksniuose jie tampa efektyvesni. Datta teigė, kad, remdamiesi šiais rezultatais, inžinieriai galės atlikti daugiau eksperimentų, kad hidrogelių chemija būtų pritaikyta konkrečioms kultūroms ir dirvožemio sąlygoms.

„Mūsų rezultatai pateikia hidrogelių, kuriuos gali absorbuoti dirvožemis, galintis naudoti vandenį, projektavimo gaires, kurios gali padėti patenkinti didėjantį maisto ir vandens poreikį“, – sakė Datta.

Tyrimo įkvėpimas buvo tada, kai Datta sužinojo apie didžiulį žemės ūkio hidrogelių pažadą, tačiau kai kuriais atvejais jie to neišpildė. Bandydami sukurti platformą, skirtą tirti hidrogelių elgesį dirvožemyje, Datta ir jo kolegos pradėjo nuo padirbtų grindų su borosilikatinio stiklo grūdeliais, paprastai naudojamais įvairiems biomokslų tyrimams ir kasdieniame gyvenime keistiems kostiumams. Grūdų dydis buvo nuo vieno milimetro iki trijų milimetrų skersmens, atitinkantis birios birios žemės grūdus.


Kai mokslininkai įpylė vandeninio amonio tiocianato tirpalo, jis pašalino borosilikatinių stiklo karoliukų sukeltus iškraipymus ir leido aiškiai matyti hidrogelį. Autoriai: Datta ir kt. / Prinstono universitetas

2018 m. Vasarą Datta pavadino Margaret O’Connell, tuometinę Princetono studentę, dirbusią savo laboratorijoje per „Princeton“ programą „ReMatch +“, kad nustatytų priedus, kurie pakeistų vandens lūžio rodiklį, kad kompensuotų šviesos iškraipymą grūduose, bet vis tiek absorbuojamas hidrogelio. leidžia. vandens. O’Connell užima vandeninį amonio tiocianato tirpalą daugiau nei pusei savo svorio.

Nancy Lu, magistrantė Prinstone ir Jeremy Cho, tuometė Dattos laboratorijos postaktorė, o dabar Nevados universiteto (Las Vegasas) docentė, pastatė ankstesnę eksperimentinės platformos versiją. Spalvota hidrogelio sfera, pagaminta iš įprastos hidrogelio medžiagos, vadinamos poliakrilamidu, buvo įdėta tarp grūdų ir surinko keletą pradinių stebėjimų.

Jeanas-Francois’as Loufas, Dattos laboratorijos mokslų daktaras, sukūrė antrą pritaikytą platformos versiją ir atliko eksperimentus, kurie pranešė apie tyrimo rezultatus. Ši paskutinė platforma turėjo svertinį stūmoklį, kad susidarytų slėgis grūdams, imituojant hidrogelio slėgio kiekį ant žemės, nustatant hidrogelio gylį.

Apskritai, rezultatai parodė hidrogelių ir dirvožemio sąveiką, remiantis kiekvieno savybėmis. Grupės sukurtas teorinis pagrindas šiam elgesiui užfiksuoti padės paaiškinti kitų tyrėjų surinktus mišraus lauko rezultatus, kartais pagerinant pasėlių derlingumą, tačiau kartais hidrogeliai rodo minimalią naudą arba net pablogina natūralų dirvožemio tankinimą, padidindami erozijos riziką.

Tyrime nedalyvavęs Masačusetso technologijos instituto civilinės ir aplinkos inžinerijos profesorius Rubenas Juanesas pasiūlė komentarus apie jo prasmę. “Šis darbas atveria milžiniškas galimybes naudoti hidrogelius kaip dirvožemio kondensatorius, kurie moduliuoja vandens prieinamumą ir kontroliuoja vandens išsiskyrimą pasėlių šaknyse, o tai gali užtikrinti tikrą tvaraus žemės ūkio technologinę pažangą”, – sakė Juanesas.

Kitos hidrogelio programos gali būti naudingos Datta ir jo kolegų darbui. Pavyzdžiai apima naftos gavybą, filtravimą ir naujų statybinių medžiagų, tokių kaip hidrogeliais užpiltas betonas, kūrimą, kad būtų išvengta per didelio džiūvimo ir skilimo. Ypač perspektyvi sritis yra biomedicina, kurios taikymo sritis yra nuo vaistų pristatymo iki žaizdų gijimo ir dirbtinių audinių inžinerijos.

“Hidrogeliai yra labai universali ir šviežia medžiaga, su kuria taip pat smagu dirbti”, – sakė Datta. “Tačiau nors dauguma laboratorinių tyrimų vykdomi neapibrėžta konfigūracija, daugelis programų yra naudojami siaurose ir uždarose erdvėse. Mes labai patenkinti šia paprasta eksperimentine platforma, leidžiančia pamatyti tai, ko kiti anksčiau nematė.”

Nuoroda: 2021 m. Vasario 12 d., Mokslo pažanga.

Iš dalies dalyvavo Nacionalinis mokslo fondas ir Prinstono aukštųjų pievų aplinkos institutas.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

COVID-19 aptikimas ant jūsų odos

Misūrio universiteto inžinieriai skatina bioelektronikos rinką, kurdami plataus masto pasirinktinio įrenginio planą, kuris vienu metu gali stebėti daugybę gyvybiškai svarbių požymių, tokių kaip kraujospūdis,...

Mokslininkai atranda ilgalaikės atminties molekulinį mechanizmą

Bazelio universiteto mokslininkai atrado molekulinį mechanizmą, kuris vaidina pagrindinį vaidmenį nepažeistoje ilgalaikėje atmintyje. Šis mechanizmas taip pat susijęs su fiziologiniu atminties praradimu amžiuje. Daugybė...

Paukščių tako paslaptys atskleidžiamos „Amazing Details“

Ji yra Astronomijos tyrimų universitetų asociacija (AURA) 2021 m. Vasario 23 d Šis spalvų derinys atspindi dominuojančią „Blanco DECam Bulge Survey“, kurioje dalyvavo 250 milijonų žvaigždžių,...

Tamsioji materija, kurią apibūdina papildomas matmuo erdvėlaikyje ir nauja sunkioji dalelė, panaši į Higso bozoną?

Modeliuojant susidūrimą dideliame hadronų greitintuve susidaro Higso bozonas. © 1997-2021 CERN (CC-BY-SA-4.0). Kreditas: Granados universitetas. Tarptautinė mokslininkų grupė pasiūlė naują sunkią dalelę, kurios savybės panašios...

Puiki pažanga saulės skystyje, pagamintame iš padalinto vandens

Mokslininkai naudojo kompiuterius ir mikroskopus, kad suskaidytų saulės vandenį ir sukurtų būdą pagerinti vandenilio, kaip tvaraus kuro, generavimo prietaisų veikimą. Autorius: Peterio Alleno...

Newsletter

Subscribe to stay updated.