普林斯顿大学 普林斯顿的研究人员使用硼硅酸盐玻璃珠作为土壤的替代品，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
照片由达塔等人/普林斯顿大学信用:达塔等人/普林斯顿大学 在最终可能有助于作物抗旱的研究中，普林斯顿大学的科学家发现了一个关键原因，即将称为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颗粒，在水中能吸收其重量的一千倍，看起来非常适合作为微小的地下水库
理论上，随着土壤变干，水凝胶会释放水分来滋润植物的根部，从而缓解干旱，节约水分，提高作物产量
然而，将水凝胶掺入农民的田地已经产生了不稳定的结果
科学家们一直在努力解释这些不均匀的表现，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
在一项新的研究中，普林斯顿的研究人员展示了一个实验平台，允许科学家研究水凝胶在土壤以及其他压缩、受限环境中的隐藏工作
该平台依赖于两种成分:一种透明的粒状介质——即玻璃珠填料——作为土壤替代品，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折射光线的方式，抵消了圆形玻璃珠通常会有的扭曲效果
结果是，研究人员可以直接看到人造土壤中的一团彩色水凝胶
“我实验室的一个专长是在合适的浓度下找到合适的化学物质来改变流体的光学性质，”苏吉特·达塔说，她是普林斯顿大学化学和生物工程的助理教授，也是这项研究的资深作者，该研究发表在2月15日的《科学进展》杂志上
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“这种能力使流体流动和其他过程的三维可视化成为可能，这些过程发生在通常无法接近的不透明介质中，例如土壤和岩石
" 科学家们用这个装置来证明水凝胶储存的水量是由水凝胶随着水膨胀时施加的力和周围土壤的限制力之间的平衡来控制的
因此，较软的水凝胶在混入土壤表层时会吸收大量的水分，但在深层土壤中效果不佳，因为在深层土壤中它们会承受较大的压力
相反，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，在更深层会更有效
达塔说，在这些结果的指导下，工程师们现在将能够进行进一步的实验，为特定的作物和土壤条件定制水凝胶的化学成分
达塔说:“我们的研究结果为设计水凝胶提供了指导，水凝胶可以根据其使用的土壤最佳地吸收水分，有可能帮助解决日益增长的对食物和水的需求。”
这项研究的灵感来自达塔，他了解到水凝胶在农业中的巨大潜力，但在某些情况下却未能实现
为了开发一个平台来研究水凝胶在土壤中的行为，达塔和他的同事们从硼硅酸盐玻璃珠的人造土壤开始，这种人造土壤通常用于各种生物科学研究以及日常生活中的服装珠宝
珠子的直径从1毫米到3毫米不等，与松散、未包装土壤的颗粒大小一致
当研究人员加入硫氰酸铵水溶液时，它清除了硼硅酸盐玻璃珠造成的扭曲，并允许清晰地观察水凝胶
视频由达塔等人/普林斯顿大学信用:达塔等人/普林斯顿大学 2018年夏天，达塔指派时任普林斯顿大学本科生的玛格丽特·奥康奈尔(Margaret O'Connell)通过普林斯顿大学的ReMatch+项目，在实验室里研究能够改变水的折射率以抵消珠子光畸变的添加剂，同时还能让水凝胶有效吸收水分
奥康奈尔是在硫氰酸铵占其重量一半多一点的水溶液中形成的
普林斯顿的研究生南希·卢和当时在达塔实验室做博士后，现在在拉斯维加斯内华达大学做助理教授的杰里米·周建立了这个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，由一种叫做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
达塔实验室的博士后研究员江泽龙·拉夫随后构建了第二个经过完善的平台，并进行了实验，实验结果已在研究报告中公布
最终的平台包括一个加重的活塞，在珠子顶部产生压力，模拟水凝胶在土壤中遇到的压力范围，这取决于水凝胶植入的深度
总的来说，结果显示了水凝胶和土壤之间的相互作用，基于它们各自的性质
该团队开发的捕捉这种行为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，在这些结果中，有时作物产量会提高，但有时水凝胶显示出最小的益处，甚至会降低土壤的自然压实，增加侵蚀的风险
麻省理工学院土木与环境工程教授鲁本·胡安内斯没有参与这项研究，他对这项研究的重要性发表了评论
“这项工作为水凝胶作为土壤电容器的应用开辟了诱人的机会，它可以调节水的可用性，控制水向作物根部的释放，从而为可持续农业提供真正的技术进步，”胡安内斯说
水凝胶的其他应用将从达塔和他的同事的工作中获益
示例领域包括采油、过滤和新型建筑材料的开发，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
达塔说:“水凝胶是一种非常酷的多功能材料，使用起来也很有趣。”
“虽然大多数实验室研究都集中在无约束环境中，但许多应用都涉及到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，因为它让我们看到了别人以前看不到的东西
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