Polimeri Superassorbenti: La Rivoluzione Verde per Salvare l’Agricoltura dalla Sete!

Amici scienziati (e non)! Oggi voglio parlarvi di una sfida che mi sta particolarmente a cuore, una di quelle che tengono svegli la notte ingegneri e ricercatori come me: la scarsità d’acqua in agricoltura, specialmente in quelle zone del mondo, come l’Egitto, dove l’aridità la fa da padrona. Pensate un po’, circa il 96% dell’Egitto è arido! E l’agricoltura, che è vita, che è cibo, che è economia, si beve quasi l’80% dell’acqua disponibile. Un bel rompicapo, vero?

Ma noi ingegneri siamo così, amiamo le sfide! E se vi dicessi che abbiamo trovato un modo, non solo ingegnoso ma anche potenzialmente a basso costo, per dare una mano concreta? Sto parlando dei polimeri superassorbenti, o SAPs per gli amici. Materiali che sembrano usciti da un film di fantascienza, capaci di assorbire e trattenere enormi quantità d’acqua. Una vera manna dal cielo per le piante assetate!

Cosa sono questi magici SAPs?

Immaginate delle spugne microscopiche, ma con superpoteri. I SAPs sono polimeri che, a contatto con l’acqua, si gonfiano a dismisura, trasformandosi in un gel che rilascia lentamente l’umidità. Questo significa terreno umido più a lungo, radici felici e ben nutrite, e soprattutto, una drastica riduzione della necessità di irrigare continuamente. Una vera e propria rivoluzione per l’agricoltura sostenibile!

Nel corso degli anni, ne sono stati sviluppati di diversi tipi:

• SAPs a base di poliacrilammide: sintetici, super efficienti nell’assorbire acqua.
• SAPs innestati su amido: un’alternativa più biodegradabile, che combina polimeri sintetici con amido naturale.
• SAPs a base di cellulosa: derivati dalle piante, amici dell’ambiente e biodegradabili.
• SAPs a base di alcol polivinilico (PVA): noti per la loro capacità di assorbimento, usati come ammendanti agricoli.
• SAPs a base di chitosano: derivati dalla chitina (presente nei gusci dei crostacei), organici e biodegradabili, perfetti per un’agricoltura sostenibile.
• SAPs a base di gomma naturale o proteine: materiali naturali che stanno guadagnando popolarità per la loro biodegradabilità.

Il nostro obiettivo? Andare oltre la semplice polvere di SAP da mescolare al terreno. Volevamo creare qualcosa di più strutturato, duraturo e facile da usare.

L’Idea Geniale: Le Piastrelle Assorbenti (ATs)

Ed ecco che nasce l’idea delle “Absorbent Tiles” (ATs), o piastrelle assorbenti. Non delle semplici piastrelle, ma dei veri e propri serbatoi d’acqua intelligenti, progettati per sostituire o migliorare le funzioni del suolo sabbioso, tipico delle zone aride. Il suolo sabbioso, vedete, ha particelle grandi, non trattiene i nutrienti e l’acqua scivola via che è un piacere (per l’acqua, non per le piante!).

Le nostre ATs sono pensate per:

• Assorbire e trattenere acqua piovana e persino la rugiada.
• Mantenere un livello di umidità costante per le radici.
• Migliorare l’apporto di nutrienti.
• Ridurre la frequenza di irrigazione.
• Essere durature e riutilizzabili.

E come le abbiamo create? Qui entra in gioco un po’ di chimica e ingegneria dei materiali, ma cercherò di rendervela semplice e affascinante!

La Ricetta delle Nostre Super Piastrelle

Abbiamo sintetizzato due tipi principali di idrogel, che abbiamo chiamato affettuosamente idrogel#1 (poliacrilato di sodio o NaPA) e idrogel#2 (poli(sodio acrilato-co-glicidil metacrilato) o AGMA). Per ognuno, abbiamo testato cinque diverse concentrazioni di un “agente reticolante” (il cross-linker, che è un po’ come l’ingrediente che tiene insieme la struttura della nostra super-spugna).

Ma non è finita qui! Per dare corpo e un tocco “bio” alle nostre piastrelle, abbiamo aggiunto:

• Fibra di paglia di riso (RS): un residuo agricolo, tagliato in tre diverse dimensioni, che funge da riempitivo e rinforzo. Un ottimo esempio di economia circolare!
• Un adesivo naturale (NA): una soluzione a base di biopolimeri che agisce come una sorta di “spina dorsale” per la nostra piastrella.

Il tutto è stato poi mescolato, compresso e modellato utilizzando una pressa idraulica manuale che abbiamo progettato e costruito appositamente. Le dimensioni delle piastrelle? Pensate per adattarsi alla zona radicale delle diverse tipologie di piante. Ingegnoso, no?

Abbiamo così prodotto due tipi di piastrelle: AT1 (AT-NaPA) e AT2 (AT-AGMA), pronte per essere messe alla prova.

Mettiamo alla Prova le Nostre Creazioni!

Qui viene il bello: i test! Ci siamo armati di standard ASTM (American Society for Testing and Materials) e linee guida FAO (Food and Agriculture Organization) per non lasciare nulla al caso. Abbiamo analizzato di tutto e di più:

• Analisi gravimetrica: per misurare la capacità di rigonfiamento, la cinetica di assorbimento (quanto velocemente assorbono), la frazione di gel (quanto è stabile la struttura) e l’assorbenza d’acqua generale.
• pH e conducibilità elettrica (EC): per capire come le piastrelle interagiscono con l’ambiente del suolo e con i sali.
• Effetto della temperatura: perché, si sa, nelle zone aride il caldo si fa sentire!
• Caratterizzazione strutturale e morfologica (FTIR e SEM): con tecniche come la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e la microscopia elettronica a scansione (SEM), abbiamo sbirciato dentro i nostri materiali per capirne la composizione chimica e vederne la struttura tridimensionale, prima e dopo il rigonfiamento. È come avere dei super-occhi per vedere le molecole e le microstrutture!
• Proprietà meccaniche: come la resistenza alla compressione, perché le nostre piastrelle devono essere robuste.
• Proprietà fisiche delle piastrelle: densità apparente, porosità (importantissima per l’aria e l’acqua nel suolo).
• Proprietà chimiche delle piastrelle: contenuto di ioni, materia organica, rapporto carbonio/azoto, azoto totale, fosforo e potassio. Tutti elementi cruciali per la fertilità!
• Curva pF: questa è una chicca! Descrive la relazione tra il potenziale matriciale (la “forza” con cui il suolo trattiene l’acqua) e il contenuto di umidità del suolo. In pratica, ci dice quanta acqua è realmente disponibile per le piante.

I Risultati? Entusiasmanti!

Ve la faccio breve: i risultati sono stati incredibilmente promettenti! Abbiamo scoperto che la concentrazione più bassa di cross-linker (in particolare 1.3 mmol di MBAm) dava i migliori risultati in termini di capacità di assorbimento d’acqua. Il NaPA (idrogel#1) si è gonfiato fino a trattenere 5100 volte il suo peso in acqua distillata (5100 g/g), mentre l’AGMA (idrogel#2) ha raggiunto i 3200 g/g. Impressionante, vero?

E quando abbiamo incorporato questi idrogel nelle piastrelle con paglia di riso e adesivo naturale, le performance sono schizzate alle stelle: le piastrelle AT-NaPA hanno mostrato un’assorbenza massima di 18800 g/g e quelle AT-AGMA di 15200 g/g! Questo significa che possono immagazzinare una quantità d’acqua fenomenale.

Anche il comportamento al variare di pH, EC e temperatura è stato studiato a fondo. Abbiamo visto che un pH basico (tra 9 e 11) e una conducibilità elettrica moderatamente salina (4-8 dS/m) caratterizzavano gli idrogel. Le piastrelle complete (ATs) tendevano ad abbassare leggermente il pH e aumentare l’EC, il che è interessante per l’interazione con il suolo.

Per quanto riguarda la temperatura, l’intervallo ottimale per l’assorbimento si è attestato tra i 30 e i 50 °C. A temperature più alte, la capacità di assorbimento diminuiva un po’, ma questo è normale per la natura elastica di questi polimeri reticolati.

Le analisi FTIR ci hanno confermato la presenza dei gruppi chimici che ci aspettavamo, sia negli idrogel puri che nelle piastrelle composite con la paglia di riso. Le immagini SEM, poi, sono state spettacolari: hanno mostrato la morfologia porosa e la struttura interna dei materiali, rivelando come la paglia di riso si integra con la matrice polimerica. Abbiamo visto forme rotondeggianti, texture rugose e una porosità omogenea, tutti fattori chiave per le prestazioni.

Dal punto di vista meccanico, le piastrelle con AGMA e una maggiore quantità di cross-linker si sono rivelate più resistenti alla compressione, il che è un bene per la durabilità nel terreno.

Le proprietà fisiche delle piastrelle, come la porosità (risultata tra il 70-80%, ottima per l’aerazione e il movimento dell’acqua) e la densità apparente (bassa, indicativa di una buona struttura del suolo), erano in linea o addirittura migliori rispetto agli standard FAO per un suolo fertile.

Anche l’analisi chimica ha dato soddisfazioni: le piastrelle hanno mostrato di poter contribuire con materia organica, un buon equilibrio carbonio/azoto e la presenza di nutrienti essenziali come azoto, fosforo e potassio, oltre a vari ioni utili alle piante. Questo suggerisce un potenziale rilascio controllato di fertilizzanti, un altro enorme vantaggio!

Infine, le curve pF hanno dimostrato che le nostre piastrelle migliorano significativamente la capacità del suolo sabbioso di trattenere acqua disponibile per le piante, sia usate da sole che come additivo al suolo sabbioso.

Un Futuro Più Verde e Meno Assetato

Insomma, questo studio ha dimostrato che è possibile creare un prodotto ingegneristico innovativo, le nostre piastrelle assorbenti, che ha il potenziale per trasformare l’agricoltura nelle zone aride e semi-aride. Utilizzando materiali come il poliacrilato di sodio (NaPA) e il poli (sodio acrilato-co-glicidil metacrilato) (AGMA), combinati con residui agricoli come la paglia di riso e adesivi naturali, abbiamo ottenuto compositi con eccezionali proprietà di ritenzione idrica, capacità di rigonfiamento e la potenzialità di migliorare la struttura del suolo e l’apporto di nutrienti.

Queste piastrelle non solo aiutano a conservare la preziosa risorsa idrica, ma contribuiscono anche a ridurre la degradazione del suolo e a mitigare l’impatto dei cambiamenti climatici. Rappresentano un significativo passo avanti rispetto alle attuali tecnologie per il risparmio idrico in agricoltura, in termini di prestazioni, affidabilità e praticità per un’agricoltura davvero sostenibile.

È un piccolo, grande passo per l’uomo, ma un balzo gigantesco per l’agricoltura del futuro! E io non potrei essere più entusiasta di aver contribuito a questa affascinante avventura scientifica.

Fonte: Springer