p Em pesquisas que podem eventualmente ajudar as safras a sobreviver à seca, Cientistas da Universidade de Princeton descobriram um motivo importante pelo qual a mistura de materiais chamados hidrogéis com o solo às vezes se mostra decepcionante para os agricultores. p Contas de hidrogel, pequenas bolhas de plástico que podem absorver mil vezes seu peso em água, parecem ideais para servir como pequenos reservatórios subterrâneos de água. Em teoria, conforme o solo seca, os hidrogéis liberam água para hidratar as raízes das plantas, aliviando assim as secas, conservando água, e aumentando o rendimento das colheitas.

p No entanto, a mistura de hidrogéis nos campos dos agricultores teve resultados irregulares. Os cientistas têm lutado para explicar esses desempenhos desiguais em grande parte porque o solo - sendo opaco - frustrou as tentativas de observação, analisando, e, finalmente, melhorando o comportamento do hidrogel.

p Em um novo estudo, os pesquisadores de Princeton demonstraram uma plataforma experimental que permite aos cientistas estudar o funcionamento oculto dos hidrogéis nos solos, junto com outro comprimido, ambientes confinados. A plataforma depende de dois ingredientes:um meio granular transparente, ou seja, uma embalagem de contas de vidro, como substituto do solo, e água dopada com uma substância química chamada tiocianato de amônio. O produto químico muda habilmente a maneira como a água desvia a luz, compensando os efeitos de distorção que as contas redondas de vidro normalmente teriam. O resultado é que os pesquisadores podem ver diretamente um globo de hidrogel colorido em meio ao solo falso.

p "Uma especialidade do meu laboratório é encontrar o produto químico certo nas concentrações certas para alterar as propriedades ópticas dos fluidos, "disse Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica em Princeton e autor sênior do estudo publicado na revista Avanços da Ciência em 12 de fevereiro. "Este recurso permite a visualização 3D de fluxos de fluidos e outros processos que ocorrem normalmente inacessíveis, mídia opaca, como solo e rochas. "

p Os cientistas usaram a configuração para demonstrar que a quantidade de água armazenada pelos hidrogéis é controlada por um equilíbrio entre a força aplicada quando o hidrogel incha com a água e a força de confinamento do solo circundante. Como resultado, hidrogéis mais suaves absorvem grandes quantidades de água quando misturados nas camadas superficiais do solo, mas não funcionam tão bem em camadas mais profundas do solo, onde eles experimentam uma pressão maior. Em vez de, hidrogéis que foram sintetizados para ter mais ligações cruzadas internas, e, como resultado, são mais rígidos e podem exercer uma força maior no solo à medida que absorvem água, seria mais eficaz em camadas mais profundas. Datta disse isso, guiado por esses resultados, os engenheiros agora poderão realizar mais experimentos para adaptar a química dos hidrogéis para safras e condições de solo específicas.

p "Nossos resultados fornecem diretrizes para projetar hidrogéis que podem absorver água de forma ideal, dependendo do solo em que devem ser usados, potencialmente ajudando a atender à crescente demanda por alimentos e água, "disse Datta.

p A inspiração para o estudo veio do aprendizado do Datta sobre a imensa promessa dos hidrogéis na agricultura, mas também de seu fracasso em cumpri-la em alguns casos. Buscando desenvolver uma plataforma para investigar o comportamento do hidrogel em solos, Datta e colegas começaram com um solo falso de contas de vidro de borosilicato, comumente usado para várias investigações em biociências e, na vida cotidiana, bijuterias. Os tamanhos dos grânulos variaram de um a três milímetros de diâmetro, consistente com os tamanhos de grão de solto, solo não empacotado.

p No verão de 2018, Datta atribuiu Margaret O'Connell, em seguida, um estudante de graduação de Princeton trabalhando em seu laboratório por meio do programa ReMatch + de Princeton, para identificar aditivos que mudariam o índice de refração da água para compensar a distorção de luz dos grânulos, ainda permite que um hidrogel absorva água de forma eficaz. O'Connell foi adicionado em solução aquosa com pouco mais da metade de seu peso contribuído por tiocianato de amônio.

p Nancy Lu, um estudante de graduação em Princeton, e Jeremy Cho, em seguida, um pós-doutorado no laboratório de Datta e agora um professor assistente na Universidade de Nevada, Las Vegas, construiu uma versão preliminar da plataforma experimental. Eles colocaram uma esfera de hidrogel colorida, feito de um material de hidrogel convencional chamado poliacrilamida, entre as contas e reuniu algumas observações iniciais.

p Jean-François Louf, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Datta, então construiu um segundo, aperfeiçoou a versão da plataforma e realizou os experimentos cujos resultados foram relatados no estudo. Esta plataforma final incluiu um pistão pesado para gerar pressão no topo dos grânulos, simulando uma gama de pressões que um hidrogel encontraria no solo, dependendo de quão profundo o hidrogel é implantado.

p Geral, os resultados mostraram a interação entre hidrogéis e solos, com base em suas respectivas propriedades. Um quadro teórico que a equipe desenvolveu para capturar esse comportamento ajudará a explicar os resultados de campo de confusão coletados por outros pesquisadores, onde às vezes os rendimentos das colheitas melhoram, mas outras vezes os hidrogéis mostraram benefícios mínimos ou mesmo degradaram a compactação natural do solo, aumentando o risco de erosão.

p Ruben Juanes, um professor de engenharia civil e ambiental do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que não estava envolvido no estudo, ofereceu comentários sobre o seu significado. "Este trabalho abre oportunidades tentadoras para o uso de hidrogéis como capacitores de solo que modulam a disponibilidade de água e controlam a liberação de água para as raízes das culturas, de uma forma que poderia fornecer um verdadeiro avanço tecnológico na agricultura sustentável, "disse Juanes.

p Outras aplicações dos hidrogéis têm a ganhar com o trabalho de Datta e seus colegas. As áreas de exemplo incluem recuperação de óleo, filtração, e o desenvolvimento de novos tipos de materiais de construção, como concreto com infusão de hidrogéis para evitar ressecamento excessivo e rachaduras. Uma área particularmente promissora é a biomedicina, com aplicações que variam de administração de medicamentos a cicatrização de feridas e engenharia de tecidos artificiais.

p "Os hidrogéis são muito legais, material versátil que também é divertido de trabalhar, "disse Datta." Mas, embora a maioria dos estudos de laboratório se concentrem neles em ambientes não confinados, muitas aplicações envolvem seu uso em espaços apertados e confinados. Estamos muito entusiasmados com esta plataforma experimental simples porque nos permite ver o que outras pessoas não podiam ver antes. "