Contas de hidrogel, pequenas bolhas de pla¡stico que podem absorver mil vezes seu peso em a¡gua, parecem ideais para servir como minaºsculos reservata³rios subterra¢neos de a¡gua. Em teoria, a  medida que o solo seca, os hidroganãis liberam águapara hidratar as raa­zes das plantas, aliviando as secas, conservando a águae aumentando a produtividade das lavouras.

No entanto, a mistura de hidroganãis nos campos dos agricultores teve resultados irregulares. Os cientistas tem se esforçado para explicar esses desempenhos desiguais em grande parte porque o solo - sendo opaco - tem frustrado as tentativas de observar, analisar e, por fim, melhorar o comportamento do hidrogel.

Em um novo estudo , os pesquisadores de Princeton demonstraram uma plataforma experimental que permite aos cientistas estudar o funcionamento oculto dos hidroganãis no solo - ou em outros ambientes comprimidos e confinados. A plataforma conta com dois ingredientes: um meio granular transparente - neste caso, contas de vidro - como substituto do solo e águadopada com um produto qua­mico chamado tiocianato de ama´nio. O produto qua­mico muda habilmente a maneira como a águadesvia a luz, compensando os efeitos de distorção que as contas redondas de vidro teriam normalmente. O resultado éque os pesquisadores podem ver diretamente um globo de hidrogel colorido em meio ao solo falso.

“Uma especialidade do meu laboratório éencontrar o produto qua­mico certo nas concentrações certas para alterar as propriedades a³pticas dos fluidos”, disse Sujit Datta , professor assistente de engenharia química e biológica em Princeton e autor saªnior do estudo publicado na revista Science Advances em 12 de fevereiro. “Esse recurso permite a visualização 3D de fluxos de fluidos e outros processos que ocorrem em meios opacos e normalmente inacessa­veis, como solo e rochas.”

Os cientistas usaram a configuração para demonstrar que a quantidade de águaarmazenada pelos hidroganãis écontrolada por um equila­brio entre a força aplicada quando o hidrogel incha com a águae a força de confinamento do solo circundante. Como resultado, os hidroganãis mais macios absorvem grandes quantidades de águaquando misturados a s camadas superficiais do solo, mas não funcionam tão bem em solos profundos, onde sofrem mais pressão. Uma solução possí­vel: os hidroganãis com mais reticulações internas, que por isso são mais ra­gidos e podem exercer uma força maior no solo a  medida que absorvem a¡gua, seriam mais eficazes em camadas mais profundas. Guiados por esses resultados, os engenheiros agora sera£o capazes de conduzir mais experimentos para adaptar a química dos hidroganãis para safras e condições de solo especa­ficas, disse Datta.

“Nossos resultados fornecem diretrizes para o projeto de hidroganãis que podem absorver águade forma ideal, dependendo do solo em que devem ser usados, potencialmente ajudando a atender a s demandas crescentes por alimentos e a¡gua”, disse Datta.

A inspiração para o estudo veio do aprendizado da Datta sobre a imensa promessa dos hidroganãis 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 seus colegas começam com um solo falso de contas de vidro de borosilicato, comumente usado em investigações de biociências (e bijuterias). Os tamanhos dos gra¢nulos variaram de um a três mila­metros de dia¢metro, consistente com os tamanhos de gra£o de solo solto e não empacotado.

No vera£o de 2018, Datta designou Margaret O'Connell, então uma estudante saªnior em ascensão de Princeton que trabalhava em seu laboratório por meio do programa ReMatch + , para identificar aditivos que mudariam o a­ndice de refração da águapara compensar a distorção de luz dos gra¢nulos, mas ainda permitir que um hidrogel absorvesse efetivamente agua. O'Connell encontrou uma solução aquosa com pouco mais da metade de seu peso contribua­do por tiocianato de ama´nio.

Nancy Lu , uma estudante de graduação em Princeton, e Jeremy Cho, então pa³s-doutorado no laboratório de Datta e agora professor assistente na Universidade de Nevada-Las Vegas, construa­ram uma versão preliminar da plataforma experimental. Eles colocaram uma esfera de hidrogel colorida, feita de um material de hidrogel convencional chamado poliacrilamida, entre as contas e começam a fazer observações.

Jean-Frana§ois Louf, pesquisador associado de pa³s-doutorado no laboratório de Datta, construiu uma segunda versão aprimorada da plataforma e realizou os experimentos cujos resultados foram relatados no estudo. Essa plataforma final inclua­a um pistão pesado para gerar pressão no topo dos gra¢nulos, para simular a faixa de pressaµes que um hidrogel encontraria no solo, dependendo da profundidade de implantação do hidrogel.

No geral, os resultados mostraram a interação entre hidroganãis e solos. A estrutura tea³rica que a equipe desenvolveu ajudara¡ a explicar os resultados de campo confusos coletados por outros pesquisadores, onde a s vezes os rendimentos das colheitas melhoraram, mas outras vezes os hidroganãis mostraram benefa­cios ma­nimos ou mesmo degradaram a compactação natural do solo e aumentaram o risco de erosão.   

“Este trabalho abre oportunidades tentadoras para o uso de hidroganãis como capacitores de solo que modulam a disponibilidade de águae controlam a liberação de águapara as raa­zes das culturas, de uma forma que pode fornecer um verdadeiro avanço tecnola³gico na agricultura sustenta¡vel”, disse Ruben Juanes, professor de civil e engenharia ambiental do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não esteve envolvida no estudo.  

Outras aplicações de hidroganãis que também tem a ganhar com o trabalho de Datta e seus colegas incluem recuperação de a³leo, filtração e o desenvolvimento de novos tipos de materiais de construção, como concreto infundido com hidroganãis para evitar ressecamento excessivo e rachaduras. Uma área particularmente promissora éa biomedicina, com aplicações que va£o desde a administração de medicamentos a  cicatrização de feridas e engenharia de tecidos artificiais .

“Os hidroganãis são um material muito legal e versa¡til que também édivertido de trabalhar”, disse Datta. “Mas, embora a maioria dos estudos de laboratório enfoque neles em ambientes não confinados, muitos aplicativos 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. ”