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Solo transparente pode ajudar os agricultores a lidar com secas futuras
Em pesquisas que podem eventualmente ajudar as safras a sobreviver à seca, os cientistas descobriram um motivo importante pelo qual a mistura de materiais chamados hidrogéis com o solo às vezes se mostra decepcionante para os agricultores.
Por Adam Hadhazy - 25/02/2021


Os pesquisadores de Princeton usaram minúsculas contas de vidro como substitutos do solo, para que pudessem observar o comportamento dos hidrogéis - pequenas bolhas de plástico que podem absorver mil vezes seu peso na água - cujo sucesso na agricultura tem sido surpreendentemente desigual. Os pesquisadores usaram uma substância química que compensou a distorção causada pelas contas redondas, resultando em uma visão perfeitamente clara do hidrogel. Foto do Datta Lab, Princeton University

Contas de hidrogel, pequenas bolhas de plástico que podem absorver mil vezes seu peso em água, parecem ideais para servir como minúsculos reservatórios subterrâneos de água. Em teoria, à medida que o solo seca, os hidrogéis liberam água para hidratar as raízes das plantas, aliviando as secas, conservando a água e aumentando a produtividade das lavouras.

No entanto, a mistura de hidrogéis nos campos dos agricultores teve resultados irregulares. Os cientistas têm 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 hidrogéis 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 água dopada com um produto químico chamado 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 teriam normalmente. O resultado é que os pesquisadores podem ver diretamente um globo de hidrogel colorido em meio ao solo falso.

“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 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 inacessíveis, como solo e rochas.”

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, os hidrogéis mais macios absorvem grandes quantidades de água quando misturados às camadas superficiais do solo, mas não funcionam tão bem em solos profundos, onde sofrem mais pressão. Uma solução possível: os hidrogéis com mais reticulações internas, que por isso são mais rígidos e podem exercer uma força maior no solo à medida que absorvem água, seriam mais eficazes em camadas mais profundas. Guiados por esses resultados, os engenheiros agora serão capazes de conduzir mais experimentos para adaptar a química dos hidrogéis para safras e condições de solo específicas, disse Datta.

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

A inspiração para o estudo veio do aprendizado da 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 seus colegas começaram com um solo falso de contas de vidro de borosilicato, comumente usado em investigações de biociências (e bijuterias). Os tamanhos dos grânulos variaram de um a três milímetros de diâmetro, consistente com os tamanhos de grão de solo solto e não empacotado.

No verão de 2018, Datta designou Margaret O'Connell, então uma estudante sênior em ascensão de Princeton que trabalhava em seu laboratório por meio do programa ReMatch + , para identificar aditivos que mudariam o índice de refração da água para compensar a distorção de luz dos grânulos, mas ainda permitir que um hidrogel absorvesse efetivamente agua. O'Connell encontrou uma solução aquosa com pouco mais da metade de seu peso contribuído por tiocianato de amônio.

Nancy Lu , uma estudante de graduação em Princeton, e Jeremy Cho, então pós-doutorado no laboratório de Datta e agora professor assistente na Universidade de Nevada-Las Vegas, construíram 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 começaram a fazer observações.

Jean-François Louf, pesquisador associado de pós-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 incluía um pistão pesado para gerar pressão no topo dos grânulos, para simular a faixa de pressões que um hidrogel encontraria no solo, dependendo da profundidade de implantação do hidrogel.

No geral, os resultados mostraram a interação entre hidrogéis e solos. A estrutura teórica que a equipe desenvolveu ajudará a explicar os resultados de campo confusos coletados por outros pesquisadores, onde às vezes os rendimentos das colheitas melhoraram, mas outras vezes os hidrogéis mostraram benefícios mínimos ou mesmo degradaram a compactação natural do solo e aumentaram o risco de erosão.   

“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 pode fornecer um verdadeiro avanço tecnológico na agricultura sustentável”, disse Ruben Juanes, professor de civil e engenharia ambiental do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não esteve envolvida no estudo.  

Outras aplicações de hidrogéis que também têm a ganhar com o trabalho de Datta e seus colegas incluem recuperação de óleo, filtração e o desenvolvimento de novos tipos de materiais de construção, como concreto infundido com hidrogéis para evitar ressecamento excessivo e rachaduras. Uma área particularmente promissora é a biomedicina, com aplicações que vão desde a administração de medicamentos à cicatrização de feridas e engenharia de tecidos artificiais .

“Os hidrogéis são um material muito legal e versátil que também é divertido 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. ”

 

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