Почему гидрогели для улучшения почвы иногда огорчают фермеров

В ходе исследования с целью улучшения устойчивости сельхозкультур к засухе ученые из Принстонского университета обнаружили ключевую причину, по которой смешивание материала, называемого гидрогелем, с почвой не всегда приводит к желаемым результатам

Гидрогелевые шарики, способные впитывать воду в тысячу раз больше своего веса, кажутся идеально подходящими для использования в качестве крошечных подземных резервуаров с водой. Теоретически, когда почва высыхает, гидрогели выделяют воду для гидратации корней растений, тем самым экономя воду и повышая урожайность сельскохозяйственных культур даже в условиях засухи.

Тем не менее, добавление гидрогелей на фермерские поля дает неоднозначные результаты.

В своей работе ученые из Принстона продемонстрировали экспериментальную платформу. Она позволяет наблюдать за гидрогелями в почвах, а также в других сжатых замкнутых средах.

Платформа основана на двух ингредиентах: прозрачной гранулированной среде, а именно упаковке из стеклянных шариков, в качестве заменителя почвы, и воде, содержащей химическое вещество, называемое тиоцианатом аммония. Это химическое вещество искусно изменяет способ преломления света водой, компенсируя искажающие эффекты, которые обычно имели бы круглые стеклянные бусины. В результате ученые могут видеть насквозь цветной гидрогелевый шар посреди искусственной почвы.

«Специализация моей лаборатории — поиск нужного химического вещества в нужных концентрациях для изменения оптических свойств жидкостей, — сказал Суджит Датта, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Принстоне и старший автор исследования, опубликованного в журнале Science Advances 12 февраля. — Эта возможность обеспечивает трехмерную визуализацию потоков жидкости и других процессов, которые происходят в обычно недоступных, непрозрачных средах, таких как почва и камни».

Ученые использовали установку, чтобы продемонстрировать, что количество воды, сохраняемой гидрогелями, контролируется балансом между силой, прилагаемой при набухании гидрогеля водой, и удерживающей силой окружающей почвы.

В результате более мягкие гидрогели поглощают большое количество воды при смешивании с поверхностными слоями почвы, но не работают так хорошо в глубине, где испытывают нарастающее давление.

Вместо этого жесткие гидрогели, синтезированные с увеличенными внутренними поперечными связями, могли лучше противостоять давлению почвы и, соответственно, сохраняли эффективность.

Датта сказал, что, руководствуясь этими результатами, инженеры теперь смогут проводить дальнейшие эксперименты для адаптации химии гидрогелей к конкретным культурам и условиям почвы.

«Наши результаты предоставляют рекомендации по разработке гидрогелей, которые могут оптимально поглощать воду в зависимости от почвы, в которой они предназначены для использования, потенциально помогая удовлетворить растущие потребности в пище и воде», — сказал Датта.

Источником вдохновения для научной работы послужило то, что Датта узнал об огромных перспективах использования гидрогелей в сельском хозяйстве, но в некоторых случаях фермеры оставались недовольными и считали, что потратили деньги зря.

Источник

Загрузка ...