在最终可能帮助农作物抵御干旱的研究中，普林斯顿大学的科学家们发现了一个关键原因，即将一种叫做水凝胶的材料与土壤混合有时会令农民失望。
水凝胶珠是一种微小的塑料团，可以吸收其重量一千倍的水，似乎非常适合用作微小的地下水库。从理论上讲，随着土壤干燥，水凝胶会释放水分来滋润植物的根部，从而缓解干旱、节水和提高作物产量。
然而，将水凝胶混入农田的结果参差不齐。科学家们一直在努力解释这些不平衡的表现，很大程度上是因为土壤——不透明——阻碍了观察、分析和最终改善水凝胶行为的尝试。
在一项新研究中，普林斯顿大学的研究人员展示了一个实验平台，该平台使科学家能够研究水凝胶在土壤以及其他压缩、密闭环境中的隐藏作用。该平台依赖于两种成分：一种透明的颗粒介质——即玻璃珠的包装——作为土壤的替代物，以及掺有一种叫做硫氰酸铵的化学物质的水。这种化学物质巧妙地改变了水弯曲光线的方式，抵消了圆形玻璃珠通常会产生的扭曲效果。结果是研究人员可以直接看到人造土壤中的彩色水凝胶球。
“我实验室的一个专长是找到合适浓度的合适化学物质，以改变流体的光学特性，”普林斯顿大学化学和生物工程助理教授、该研究的高级作者 Sujit Datta 说，该研究发表在《科学进步 2021 年 2 月 12 日。“此功能可以 3D 可视化流体流动和在通常无法进入的不透明介质（例如土壤和岩石）中发生的其他过程。”
普林斯顿大学的研究人员使用硼硅酸盐玻璃珠代替土壤来研究水凝胶在农田中作为蓄水池的行为。研究人员使用一种添加剂来校正珠子的变形，使他们能够清楚地观察水凝胶。照片由 Datta 等人/普林斯顿大学拍摄。图片来源：Datta 等人/普林斯顿大学
科学家们使用该装置来证明水凝胶储存的水量是由水凝胶随水膨胀时施加的力与周围土壤的限制力之间的平衡来控制的。因此，较软的水凝胶在混合到土壤表层时会吸收大量的水，但在更深层的土壤中效果不佳，因为它们会承受更大的压力。相反，已合成的水凝胶具有更多的内部交联，因此更硬，并且在吸收水分时可以对土壤施加更大的力，在更深的层中会更有效。 Datta 说，在这些结果的指导下，工程师们现在可以进行进一步的实验，为特定作物和土壤条件定制水凝胶的化学成分。
Datta 说：“我们的研究结果为设计水凝胶提供了指导，这些水凝胶可以根据它们所使用的土壤来最佳地吸收水分，这可能有助于解决对食物和水不断增长的需求。”
这项研究的灵感来自达塔了解水凝胶在农业中的巨大前景，但在某些情况下它们未能实现这一目标。为了开发一个平台来研究土壤中的水凝胶行为，Datta 及其同事从硼硅酸盐玻璃珠的人造土壤开始，这种土壤通常用于各种生物科学研究，以及日常生活中的服装首饰。珠粒直径从一到三毫米不等，与松散、未压实土壤的粒度一致。
当研究人员添加硫氰酸铵水溶液时，它消除了由硼硅酸盐玻璃珠引起的变形，并且可以清晰地看到水凝胶。图片来源：Datta 等人/普林斯顿大学
2018 年夏天，达塔指派玛格丽特·奥康奈尔（当时是普林斯顿大学本科生）通过普林斯顿大学的 ReMatch+ 计划在他的实验室工作，以确定可以改变水的折射率以抵消珠子的光失真但仍允许水凝胶有效吸收的添加剂水。 O'Connell 注意到一种水溶液，其重量的一半以上是由硫氰酸铵贡献的。
普林斯顿大学的研究生 Nancy Lu 和当时在 Datta 实验室做博士后、现在是拉斯维加斯内华达大学助理教授的 Jeremy Cho 建立了实验平台的初步版本。他们在珠子中间放置了一个彩色水凝胶球，该球由一种称为聚丙烯酰胺的传统水凝胶材料制成，并收集了一些初步观察结果。
Datta 实验室的博士后研究员 Jean-Francois Louf 随后构建了该平台的第二个经过改进的版本并进行了实验，其结果已在研究中报告。这个最终平台包括一个加重活塞，用于在珠子顶部产生压力，模拟水凝胶在土壤中遇到的一系列压力，具体取决于水凝胶植入的深度。
总体而言，结果显示了水凝胶和土壤之间的相互作用，基于它们各自的特性。该团队为捕捉这种行为而开发的理论框架将有助于解释其他研究人员收集的令人困惑的田间结果，其中有时作物产量有所提高，但有时水凝胶显示出的益处微乎其微，甚至会降低土壤的自然压实度，从而增加了侵蚀的风险。
麻省理工学院土木与环境工程教授鲁本·胡安斯（未参与该研究）就其重要性发表了评论。 “这项工作为使用水凝胶作为土壤电容器提供了诱人的机会，可以调节水分的可用性并控制水分释放到作物根部，从而为可持续农业提供真正的技术进步，”Juanes 说。
水凝胶的其他应用将从 Datta 和他的同事的工作中获益。示例领域包括采油、过滤和开发新型建筑材料，例如注入水凝胶以防止过度干燥和开裂的混凝土。一个特别有前途的领域是生物医学，其应用范围从药物输送到伤口愈合和人工组织工程。
“水凝胶是一种非常酷、用途广泛的材料，使用起来也很有趣，”达塔说。 “但是，虽然大多数实验室研究都集中在不受限制的环境中，但许多应用都涉及它们在狭小空间中的使用。我们对这个简单的实验平台感到非常兴奋，因为它让我们能够看到其他人以前看不到的东西。”
参考文献：Jean-François Louf、Nancy B. Lu、Margaret G. O'Connell、H. Jeremy Cho 和 Sujit S. Datta 撰写的“在压力下：颗粒介质中的水凝胶膨胀”，2021 年 2 月 12 日，Science Advances .
DOI：10.1126/sciadv.abd2711
这项工作得到了美国国家科学基金会和普林斯顿 High Meadows 环境研究所的部分支持。
