“Melihat melalui tanah” untuk mempelajari cara kerja hidrogel yang tersembunyi dapat membantu petani mengatasi kekeringan di masa depan

Dalam penelitian yang dapat membantu tanaman bertahan dari kekeringan, kata para ilmuwan Universitas Princeton mereka telah menemukan alasan mendasar mengapa campuran bahan yang disebut hidrogel dengan tanah terkadang mengecewakan petani.

Manik-manik hidrogel, batang plastik kecil yang dapat menyerap ribuan kali beratnya dalam air, tampak ideal untuk digunakan sebagai tangki air bawah tanah kecil. Secara teori, saat tanah mengering, hidrogel melepaskan air untuk menghidrasi akar tanaman, sehingga mengurangi kekeringan, menghemat air, dan meningkatkan hasil panen.

Namun, pencampuran hidrogel di lahan petani memiliki hasil yang tidak menentu. Para ilmuwan telah berjuang untuk menjelaskan sebagian besar tindakan yang tidak rata ini karena tanah yang buram telah menggagalkan upaya untuk mengamati, menganalisis, dan pada akhirnya meningkatkan perilaku hidrogel.

Dalam sebuah studi baru, para peneliti Princeton mendemonstrasikan platform eksperimental yang memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari cara kerja hidrogel yang tersembunyi di tanah, bersama dengan lingkungan terkompresi dan terbatas lainnya. Platform ini didasarkan pada dua bahan: media granular transparan, yaitu paket manik-manik kaca, sebagai lantai, dan air yang diolah dengan bahan kimia yang disebut amonium tiosianat. Bahan kimia ini dengan cekatan mengubah cara air membelokkan cahaya, mengimbangi efek distorsi yang biasanya dimiliki manik-manik kaca bundar. Hasilnya, peneliti dapat melihat langsung balon hidrogel berwarna di tengah tanah palsu.

“Salah satu spesialisasi lab saya adalah menemukan bahan kimia yang tepat pada konsentrasi yang tepat untuk mengubah sifat optik cairan,” kata Sujit Datta, asisten profesor teknik kimia dan biologi di Princeton dan penulis utama studi di majalah tersebut. Kemajuan ilmiah pada 12 Februari 2021. “Kemampuan ini memungkinkan visualisasi 3D aliran fluida dan proses lain yang terjadi dalam media buram yang biasanya tidak dapat diakses, seperti tanah dan batuan.”

Tampilan jelas dari Hidrogel

Peneliti Princeton menggunakan manik-manik kaca borosilikat sebagai pengganti tanah untuk mempelajari perilaku hidrogel yang berperan sebagai penampung air di ladang pertanian. Para peneliti menggunakan aditif untuk memperbaiki distorsi mutiara, yang memungkinkan mereka mengamati hidrogel dengan jelas. Foto oleh Datta et al / Universitas Princeton. Kredit: Datta et al / Universitas Princeton

Para ilmuwan menggunakan konfigurasi tersebut untuk menunjukkan bahwa jumlah air yang disimpan oleh hidrogel dikendalikan oleh keseimbangan antara gaya yang diterapkan saat hidrogel mengembang dengan air dan gaya pengurungan tanah di sekitarnya. Akibatnya, hidrogel yang lebih lunak menyerap air dalam jumlah besar jika dicampur dengan lapisan permukaan tanah, tetapi tidak berfungsi dengan baik di lapisan tanah yang lebih dalam, karena tekanannya lebih besar. Sebaliknya, hidrogel yang telah disintesis memiliki lebih banyak persilangan internal dan, sebagai akibatnya, lebih kaku dan dapat memberikan gaya yang lebih besar di tanah karena menyerap air, akan lebih efektif di lapisan yang lebih dalam. Datta mengatakan bahwa, dipandu oleh hasil ini, para insinyur sekarang akan dapat melakukan eksperimen untuk menyesuaikan kimia hidrogel dengan tanaman dan kondisi tanah tertentu.

“Hasil kami memberikan pedoman untuk merancang hidrogel yang dapat menyerap air secara optimal berdasarkan tanah tempat mereka akan digunakan, yang dapat membantu memenuhi kebutuhan makanan dan air yang meningkat,” kata Datta.

Inspirasi untuk penelitian ini muncul dari penemuan Datta tentang janji besar hidrogel di bidang pertanian, tetapi juga tentang kegagalannya dalam beberapa kasus. Dengan tujuan mengembangkan platform untuk menyelidiki perilaku hidrogel di tanah, Datta dan rekan memulai dengan lantai palsu dari manik-manik kaca borosilikat, yang biasa digunakan untuk berbagai penelitian sains, biologi dan, dalam kehidupan sehari-hari, perhiasan. Ukuran kabelnya berkisar dari satu sampai tiga milimeter dengan diameter, sehingga cocok dengan ukuran butiran dari tanah yang gembur dan terbuka.


Ketika para peneliti menambahkan larutan amonium tiosianat dalam air, mereka menghilangkan distorsi yang disebabkan oleh manik-manik kaca borosilikat dan memungkinkan pandangan yang jelas dari hidrogel. Kredit: Datta et al / Universitas Princeton

Pada musim panas 2018, Datta menugaskan Margaret O’Connell, yang saat itu adalah seorang mahasiswa Princeton yang bekerja di labnya melalui program ReMatch + Princeton, untuk mengidentifikasi aditif yang mengubah indeks bias air. Untuk mengkompensasi distorsi cahaya pada mutiara , meskipun memungkinkan hidrogel menyerap air secara efektif. O’Connell menemukan larutan encer dengan lebih dari setengah beratnya yang disediakan oleh amonium tiosianat.

Nancy Lu, seorang mahasiswa pascasarjana di Princeton, dan Jeremy Cho, yang saat itu menjadi rekan postdoctoral di lab Datta dan sekarang menjadi asisten profesor di University of Nevada, Las Vegas, membangun versi awal dari platform eksperimental. Mereka menempatkan bola hidrogel berwarna, terbuat dari bahan hidrogel konvensional yang disebut poliakrilamida, di tengah manik-manik dan mengumpulkan beberapa pengamatan awal.

Jean-Francois Louf, seorang peneliti postdoctoral di laboratorium Datta, membangun versi peningkatan kedua dari platform dan melakukan eksperimen yang hasilnya dilaporkan dalam penelitian tersebut. Platform terakhir ini termasuk piston berbobot untuk menghasilkan tekanan di bagian atas bola, yang mensimulasikan berbagai tekanan yang akan ditemukan oleh hidrogel di tanah, tergantung pada kedalaman implantasi hidrogel.

Secara umum hasil penelitian menunjukkan adanya interaksi antara hidrogel dan tanah, tergantung sifat masing-masing. Kerangka kerja teoritis yang dikembangkan tim untuk menangkap perilaku ini akan membantu menjelaskan hasil lapangan yang membingungkan yang dikumpulkan oleh peneliti lain, di mana terkadang hasil panen meningkat, tetapi di lain waktu hidrogel menunjukkan manfaat minimal atau bahkan menurunkan pemadatan alami tanah, meningkatkan risiko erosi.

Ruben Juanes, seorang profesor teknik sipil dan lingkungan di Massachusetts Institute of Technology yang tidak berpartisipasi dalam penelitian tersebut, berkomentar tentang pentingnya penelitian tersebut. “Pekerjaan ini membuka peluang yang menggoda untuk penggunaan hidrogel sebagai kondensor tanah yang mengatur ketersediaan air dan mengontrol pelepasan air ke akar tanaman, dengan cara yang dapat memberikan teknologi terobosan nyata dalam pertanian berkelanjutan,” kata Juanes.

Aplikasi hidrogel lainnya dapat diperoleh dari karya Datta dan rekan-rekannya. Contoh area termasuk pemulihan minyak, filtrasi, dan pengembangan jenis bahan bangunan baru, seperti beton infus hidrogel untuk mencegah pengeringan dan retakan yang berlebihan. Bidang yang sangat menjanjikan adalah biomedis, dengan penerapan mulai dari pemberian obat hingga penyembuhan luka dan rekayasa jaringan buatan.

“Hidrogel adalah bahan serbaguna dan sangat keren yang juga menyenangkan untuk dikerjakan,” kata Datta. “Meskipun sebagian besar studi laboratorium berfokus pada mereka di lingkungan yang tidak terbatas, banyak aplikasi yang melibatkan penggunaannya di ruang kecil dan terbatas. Kami sangat senang dengan platform eksperimental sederhana ini karena memungkinkan kami untuk melihat apa yang tidak dapat dilihat orang lain sebelumnya.

Referensi: 12 Februari 2021, Kemajuan ilmiah.

Pekerjaan itu sebagian didukung oleh National Science Foundation dan Princeton High Meadows Environmental Institute.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Topan Super Surigae menyulut Pasifik

19 April 2021 Topan super mencapai intensitas ekstrem setahun lebih banyak daripada badai era satelit mana pun. Surigae tidak akan mendarat, tetapi topan yang muncul di...

Mekanisme fotoenzim kunci yang diuraikan

Kesan artis tentang katalisis enzimatik yang diusulkan dalam mekanisme fotodekarboksilase asam lemak (Sains 2021). Kredit: Damien Sorigué Pengoperasian enzim FAP, yang berguna untuk memproduksi...

DOE Mendorong Investasi A.S. yang Agresif dalam Energy Fusion

Sinar laser energi tinggi NIF berkumpul di target di tengah kamera target. Keberhasilan mendapatkan penyalaan fusi akan menjadi langkah maju yang besar dalam...

Fisikawan menciptakan bit kuantum yang dapat mencari materi gelap

Sebuah qubit (persegi panjang kecil) dipasang pada tingkat kebiruan, yang berada di atas jari untuk menunjukkan skala. Ilmuwan di Farmland Universitas Chicago menggunakan...

Ahli paleontologi memperkirakan bahwa 2,5 miliar T. rex menjelajahi Bumi selama periode Kapur

Untuk semua mereka yang terlambatKapur Menurut sebuah studi baru, jumlah total tyrannosaurus yang pernah hidup di Bumi adalah sekitar 2,5 miliar individu, di mana...

Newsletter

Subscribe to stay updated.