北京中科白癜风医院三级专科 https://wapjbk.39.net/yiyuanzaixian/bjzkbdfyy/bdf/水凝胶在农业上有望成为干燥土壤中的水库，有可能减轻灌溉负担。但是，限制在土壤中会明显降低水凝胶吸收水和膨胀的能力，从而限制了其广泛采用。不幸的是，根本原因仍然未知。通过直接可视化限制在三维颗粒介质中的水凝胶的溶胀，普林斯顿大学SujitS.Datta教授团队证明了水凝胶的溶胀程度是由渗透性溶胀引起的水凝胶所施加的力与周围颗粒所传递的约束力之间的竞争决定的。此外，介质本身可以通过水凝胶溶胀进行重组，这取决于渗透溶胀力，约束力和颗粒间摩擦之间的平衡。总之，该结果提供了定量原理，可预测水凝胶在封闭状态下的行为，从而有可能改善其在农业中的用途，并为其他应用（例如采油，建筑，机械生物学和过滤）提供信息。相关论文以题为Underpressure:Hydrogelswellinginagranularmedium发表在《ScienceAdvances》上。颗粒限制阻碍水凝胶膨胀作者通过将平均半径Rb=1、1.5、2.5或3mm的硼硅酸盐玻璃珠包装-粗的疏松土的特征-高≈6cm高，装在透明，密封的丙烯酸盒中L×L=4.3，来制备3D无序粒状介质厘米×4.3厘米宽。在包装每种介质时，在中心附近放置一个半径为Ri≈5.9mm的彩色聚丙烯酰胺水凝胶球，距离介质顶表面的h≈2cm。然后，使用金属棒反复敲打容器约20s；因此，填料从初始的随机松散堆积状态开始接近随机紧密堆积极限，其孔隙率大约在36％至41％之间。为了施加固定的限制应力，然后将质量为m的配重活塞放在粒状介质的顶部；活塞的边缘略有缝隙，使其能够与溶剂一起在其边缘自由移动，同时将颗粒限制在其下方。作者用溶剂过量填充填料，因此液体表面比活塞的位置高得多。在图1A中示出了具有平均半径为3mm的珠的整个设备。图1限制在3D颗粒介质中的水凝胶的溶胀。为了在每个实验中引发水凝胶溶胀，作者用该溶液完全浸透了培养基。粒状介质变得透明，从而可以使用发光二极管（LED）灯面板直接观察水凝胶，如图1A所示。在没有施加负载（m=0）的情况下，水凝胶仅受上面珠粒的重量限制；因此，由周围的珠子σ传递的约束应力可以由重力Δρgh≈0.2kPa近似，其中Δρ≈1.2g/cm3是珠子和溶剂之间的密度差，而g是重力加速度。在这种情况下，水凝胶自由膨胀，连续地将周围的珠子重新排列在其上方，并保持其球形，如图1B所示。因此，在整个溶胀过程中，圆度Ψ4πA/P2保持≈1，如图2A所示（深蓝色）。水凝胶的尺寸继而随时间增加，如图2B（红色）所示的投影面积A的增加所反映。图2随时间变化的水凝胶膨胀特性图。介质不再重排，结果，在与周围珠粒接触的区域强烈阻碍了水凝胶溶胀。相反，水凝胶只能在珠子接触的这些区域之间膨胀，从而使其伸入周围的孔隙空间中，如图1C所示。如图2A（浅蓝色）所示，这种指法过程不会无限期地进行，而是在大约30小时后达到平稳状态。如图2B（粉红色）所示，水凝胶尺寸随时间的增加受到抑制。约小时后，水凝胶最终达到的体积Vf仅是其初始体积Vi的2.4倍，再次通过从介质中将其除去，测量投影面积A并将其估算为VA3/2进行测量。为了直接表征受阻膨胀区域的大小，作者确定内切圆（可以在水凝胶内部绘制的最大可能的圆，如图1C中的白色虚线圆圈所示），该圆隔离了受阻膨胀区域，而没有突出在谷物接触之间的水凝胶指状物的其他影响。作者通过测量Rf的依赖性来量化这种降低，Rf的依赖性直接表征了与周围珠粒接触的受阻水凝胶膨胀区域的大小（σ）。如图3A（蓝色）所示，Rf随σ的增加而连续减小，最终达到Rf≈Ri的极限。对于三种较小的珠尺寸Rb=2.5、1.5和1mm的介质，作者发现了类似的行为，分别由图3A中的红色，绿色和紫色符号表示。图3水凝胶膨胀取决于渗透性膨胀和局部约束之间的竞争。粒状介质的溶胀与重组之间的相互作用限制在颗粒状介质中不仅会改变水凝胶的溶胀，而且溶胀还会依次改变介质。例如在无负载的情况下，覆盖在水凝胶上的珠子会在膨胀时被向外推，紧邻水凝胶的珠子会经历最大位移。为了表征这种行为，作者随机着色稀疏的培养基珠子，以充当培养基重构的示踪剂，如图4A中的深蓝色所示，并在每个实验过程中测量其位移的大小。用Δ表示这组代表性磁珠中的最大测得位移量。对于静态矩阵，Δ≈0，而随着矩阵的重构越来越多，随着与成像方向正交的磁珠位移分量的增加，Δ会增加到零以上。对于低围压σ≈0.2kPa，如图4B和影片S4所示，随着时间的流逝，介质的重组会增加，并且Δ最终稳定在一个值Δf，与水凝胶膨胀相伴。如图4C所示，随着σ的增加，介质重构的最大数量先急剧减小，然后逐渐减小，直到20kPa。高于此阈值时，介质为静态且Δf≈0。与图3A一样，图4C的每个点代表使用单独的水凝胶进行的单独实验，由于Ri的微小实验变异性，导致数据中的微小散布。图4不平衡的水凝胶膨胀重新构造了周围的介质。对水凝胶应用的启示在农业方面，该结果有助于合理化最近的实验室和现场观察结果，即与深层土壤相比，深层土壤中的水凝胶承受更大的围压，吸收的水分更少，溶胀更少。埋在土壤表面以下约1m处的水凝胶所承受的围压可能超过10kPa，这与许多市售水凝胶的溶胀压力相当，可能会导致溶胀受阻。这种影响可能是在现场观察到的水凝胶性能差异很大的基础。为了验证这一想法，作者在此处开发的理论框架（材料和方法）中研究了载荷下未固结土壤中水凝胶吸收的水的质量数据。参考文献：ScienceAdvances12Feb:Vol.7,no.7,eabdDOI:10./sciadv.abd版权声明：「水凝胶」是由专业博士（后）创办的
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