最終的に作物が干ばつを乗り切るのに役立つ可能性がある研究で、プリンストン大学の科学者は、ヒドロゲルと呼ばれる材料を土壌と混合することが農家にとって時々失望することが証明されている主な理由を明らかにしました.
ハイドロゲル ビーズは、自重の 1,000 倍の水を吸収できる小さなプラスチックの塊で、地下の小さな貯水池としての役割を果たすのに最適なようです。理論的には、土壌が乾燥すると、ハイドロゲルが水を放出して植物の根に潤いを与え、干ばつを緩和し、水を節約し、収穫量を増やします.
しかし、ヒドロゲルを農家の畑に混ぜても、むらのある結果が得られました。科学者たちは、これらの不均一な性能の大部分を説明するのに苦労してきました。これは、土が不透明であるため、ヒドロゲルの挙動を観察、分析、そして最終的に改善する試みが妨げられてきたためです.
新しい研究で、プリンストンの研究者は、科学者が他の圧縮された閉じ込められた環境とともに、土壌中のヒドロゲルの隠れた働きを研究できるようにする実験プラットフォームを実証しました。このプラットフォームは、2 つの成分に依存しています。1 つは透明な粒状媒体、つまりガラス ビーズの詰め物です。これは土壌の代役として使用され、もう 1 つはチオシアン酸アンモニウムと呼ばれる化学物質が添加された水です。この化学物質は、水が光を曲げる方法を巧みに変化させ、丸いガラス ビーズが通常持つ歪み効果を相殺します。その結果、研究者は偽の土の中にある着色されたヒドロゲルの塊を直接見ることができます.
「私の研究室の専門は、液体の光学特性を変えるために適切な濃度で適切な化学物質を見つけることです」と、プリンストン大学の化学および生物工学の助教授であり、ジャーナルに掲載された研究の上級著者である Sujit Datta 氏は述べています 科学の進歩 2021 年 2 月 12 日。「この機能により、土や岩など、通常はアクセスできない不透明な媒体内で発生する流体の流れやその他のプロセスを 3D で視覚化できます。」
プリンストン大学の研究者は、ホウケイ酸ガラス ビーズを土壌の代わりに使用して、農場での貯水池として機能するヒドロゲルの挙動を研究しました。研究者は添加剤を使用してビーズの歪みを補正し、ヒドロゲルを明確に観察できるようにしました。写真提供：Datta et al/プリンストン大学。クレジット:Datta et al/プリンストン大学
科学者たちはこの設定を使用して、ハイドロゲルによって蓄えられる水の量が、ハイドロゲルが水で膨潤するときに加えられる力と周囲の土壌の閉じ込め力とのバランスによって制御されることを実証しました。その結果、より柔らかいハイドロゲルは、土壌の表層に混合されると大量の水を吸収しますが、より大きな圧力を受ける土壌のより深い層ではうまく機能しません.代わりに、より多くの内部架橋を持つように合成されたヒドロゲルは、より硬く、水を吸収するときに土壌に大きな力を加えることができ、より深い層でより効果的です. Datta 氏は、これらの結果に基づいて、エンジニアは特定の作物や土壌条件に合わせてヒドロゲルの化学を調整するためのさらなる実験を行うことができるようになると述べました.
「私たちの結果は、使用する土壌に応じて水を最適に吸収できるハイドロゲルを設計するためのガイドラインを提供し、食料と水の需要の高まりに対処するのに役立つ可能性があります」と Datta 氏は述べています。
この研究のインスピレーションは、ダッタが農業におけるハイドロゲルの計り知れない可能性について学んだことから来ましたが、場合によってはそれを達成できなかった場合もあります。土壌中のヒドロゲルの挙動を調査するためのプラットフォームを開発しようとして、Datta と同僚は、さまざまな生物科学の調査や、日常生活でコスチューム ジュエリーに一般的に使用される、ホウケイ酸ガラス ビーズの擬似土壌から始めました。ビーズのサイズは直径 1 ～ 3 mm の範囲で、ばらばらでパックされていない土の粒子サイズと一致しています。
研究者がチオシアン酸アンモニウムの水溶液を加えたところ、ホウケイ酸ガラスビーズによって引き起こされた歪みが解消され、ハイドロゲルがはっきりと見えるようになりました。クレジット:Datta et al/プリンストン大学
2018 年の夏、Datta は Margaret O'Connell を割り当てました。Margaret O'Connell はプリンストン大学の ReMatch+ プログラムを通じて彼の研究室で働いていましたが、水の屈折率を変更してビーズの光の歪みを相殺する添加剤を特定し、ハイドロゲルが効果的に吸収できるようにする添加剤を特定しました。水。 O'Connell は、チオシアン酸アンモニウムが重量の半分強を占めている水溶液を発見しました。
プリンストン大学の大学院生である Nancy Lu と、当時 Datta の研究室のポスドクで、現在はネバダ大学ラスベガス校の助教授である Jeremy Cho は、実験プラットフォームの予備バージョンを構築しました。彼らは、ポリアクリルアミドと呼ばれる従来のヒドロゲル材料で作られた着色されたヒドロゲル球体をビーズの中に配置し、最初の観察結果を集めました.
その後、ダッタの研究室のポスドク研究員であるジャン=フランソワ・ルフは、プラットフォームの 2 番目の洗練されたバージョンを構築し、実験を実行しました。その結果は研究で報告されました。この最終的なプラットフォームには、ビーズの上部に圧力を発生させる加重ピストンが含まれており、ハイドロゲルが埋め込まれた深さに応じて、ハイドロゲルが土壌で受ける圧力の範囲をシミュレートしています。
全体として、結果は、それぞれの特性に基づいて、ヒドロゲルと土壌の間の相互作用を示しました。チームがこの挙動を捉えるために開発した理論的フレームワークは、他の研究者によって収集された交絡フィールドの結果を説明するのに役立ちます。そこでは、作物の収量が改善されることもあれば、ヒドロゲルが最小限の利益を示したり、土壌の自然な圧縮を低下させたりして、侵食のリスクを高めることさえありました.
マサチューセッツ工科大学の土木および環境工学の教授であるルーベン・フアネスは、この研究には関与していませんが、その重要性についてコメントしています。 「この研究は、持続可能な農業において真の技術的進歩を提供できる方法で、水の利用可能性を調節し、作物の根への水の放出を制御する土壌コンデンサーとしてヒドロゲルを使用するための魅力的な機会を開きます」と Juanes 氏は述べています。
ハイドロゲルの他の用途は、Datta と彼の同僚の研究から得られるものです。例としては、油の回収、ろ過、新しい種類の建築材料の開発 (過度の乾燥やひび割れを防ぐためにハイドロゲルを注入したコンクリートなど) が挙げられます。特に有望な分野の 1 つは生物医学であり、その用途は薬物送達から創傷治癒、人工組織工学にまで及びます。
「ハイドロゲルは非常にクールで用途の広い素材であり、たまたま扱うのも楽しいものです」と Datta 氏は言います。 「しかし、ほとんどのラボ研究は制限のない環境でのそれらに焦点を当てていますが、多くのアプリケーションでは、狭い限られたスペースでの使用が含まれています.このシンプルな実験プラットフォームに非常に興奮しています。これにより、他の人がこれまで見ることができなかったものを見ることができるようになるからです。」
参照:「圧力下:粒状媒体でのハイドロゲルの膨潤」ジャン=フランソワ・ルフ、ナンシー B. ルー、マーガレット G. オコンネル、H. ジェレミー チョー、スジット S. ダッタ、2021 年 2 月 12 日、Science Advances .
DOI:10.1126/sciadv.abd2711
この作業は、国立科学財団とプリンストンのハイ メドウズ環境研究所によって部分的に支援されました。
