ソーラーハイドロゲル: 温室栽培の「水循環マスター」

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

今日の科学技術の急速な発展により、果物や野菜は季節の制約から解放されたようです。スイカはもはや夏だけのものではなくなり、キャベツはもはや冬野菜のトップの座を占めなくなりました。新鮮な野菜や果物が食卓に並ぶとき、私たちはこの「おいしい食べ物」の背後に「エコロジー王国」、つまり温室があることに気づいているでしょうか。

温室栽培

（写真提供：veerフォトギャラリー）

温室は農業技術の重要な成果として、季節や地域の制限を打ち破り、食糧供給をより安定的かつ多様化するだけでなく、私たちの食文化を大きく豊かにします。しかし、温室が増え続けるにつれ、水資源の浪費という無視できない問題も浮上してきました。

統計によると、温室農業用水は人間の水使用量の50％以上を占めています。温室灌漑用水は作物の根の必要を満たす一方で、土壌の蒸発や植物の蒸散によって静かに失われ、地球の貴重な水資源の大きな浪費を引き起こしています。これは持続可能な農業の発展への道においても難しい問題です。

ハイドロゲル：魔法の吸水素材

現実の世界では、子どもたちは水を吸収して大きくなる「ウォーターベイビー」というおもちゃで遊ぶことが多いです。小さな粒子とボールの形をしたおもちゃです。 「ウォーターベビー」をしばらく水に浸しておくと、まるで「育っている」かのように膨らみます。カラフルで弾む小さなボールは、ついついつねりたくなりますが、この弾むウォーターボールはどこから来たのかご存知ですか?

カラフルな「水の赤ちゃん」

（写真提供：veerフォトギャラリー）

この吸水材はハイドロゲルと呼ばれ、特殊な三次元網目構造を持つ高分子材料で、水中で急速に膨潤し、溶解することなく多量の水を保持することができます。

ハイドロゲルは、材料の供給源に応じて天然ハイドロゲルと合成ハイドロゲルに分けられます。

天然ポリマーハイドロゲル：ゼラチン、キトサン、アルギン酸ナトリウム、コラーゲン、ヒアルロン酸などの天然ポリマー材料を主原料として製造されます。これらの材料のほとんどは動物組織や海洋生物に由来するため、生体適合性があり、分解可能です。

合成ポリマーハイドロゲル：ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコールなどの合成材料の重合反応によって得られるポリマー。このタイプのハイドロゲルは、構造制御性、再現性、機械的特性が優れているという特徴があります。

吸水性を持つハイドロゲルは温室の水管理に使用できますか?

2024年7月10日、中国の科学者たちは、水の急速な吸収と放出を実現できる太陽光駆動型吸湿性ハイドロゲルに関する論文をNature Water誌に発表した。温室栽培に使用すると、植物の蒸散水と土壌蒸発水の受動的な回収が可能になり、省エネ・節水効果が得られます。

研究結果はNature Water誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャーウォーター誌）

研究者らは、窒化チタン（TiN）、カードラン（CUR）、ポリアクリル酸ナトリウム（PAAS）、塩化リチウム（LiCl）を原料として使用し、「架橋凍結乾燥」プロセスを通じて多孔質ハイドロゲル材料（TCP-Li）を調製した。架橋反応は重要な化学反応であり、2つ以上の分子が互いに結合して架橋し、ネットワーク構造を形成する反応を指します。この反応により、材料の強度、耐熱性、耐摩耗性、耐溶剤性などの特性が大幅に向上します。窒化チタンは吸収した光エネルギーを熱エネルギーに変換できる光熱変換材料です。

カードランは水溶液中で加熱するとゲル状態を形成します。ポリアクリル酸ナトリウムは、ハイドロゲル材料内で水分を吸収し保持する役割を果たす、吸収性の高いポリマーです。塩化リチウムは材料に水蒸気を吸収する能力を与え、材料の水分捕捉能力を大幅に向上させます。

ハイドロゲルの製造工程;紀元前。ハイドロゲルの SEM 画像。 d.ハイドロゲルの元素分布e.物質のX線回折パターン。 f.物質の赤外線スペクトル。グラム。ハイドロゲルの紫外線-可視光線-近赤外線吸収スペクトル。

（画像出典：参考1）

研究者らは、調製したTCP-Liハイドロゲル材料の吸水・脱着実験を行い、その吸水・脱着能力を検証した。実験結果によると、ハイドロゲル材料は強力な吸水能力を持っています。温度条件 30°C、相対湿度環境 60% および 90% の場合、ハイドロゲル材料 1 グラムあたりの吸水量はそれぞれ 2.8 グラムと 3.38 グラムです。

ハイドロゲル材料が水循環を実現するには、吸湿性が高いだけでは不十分で、水を素早く放出する能力も必要です。研究者らは、太陽光を模した環境でハイドロゲル素材の水分放出能力をテストした。

実験結果によると、TCP-Li ハイドロゲル材料は、太陽光を模擬した条件下で水を素早く放出できることが示されています。太陽光の強度が60%の場合でも、60分以内に95%の水分を放出できます。同時に、この材料は長寿命でもあります。 15 回の水分子吸収・放出実験を完了した後、吸湿能力の減衰値は 3% 未満です。

水回収装置TEADの構造の概略図。 b. TEDA吸着脱着プロセス中の熱伝達、

物質移動分析;紀元前TEDAデバイス図; d.脱着中の TEAD の赤外線温度図。

（画像出典：参考1）

研究者らはTCP-Liハイドロゲルの性能をテストした後、この材料を使用して水回収装置（TEAD）も作成しました。この装置は、夜間に作物の蒸散と土壌の蒸発によって生成された水蒸気を収集し、日中に太陽光の作用で水を放出して作物の灌漑に使用できます。実験結果によると、TEAD水回収装置は、1日あたり各植物から87.1グラムの水を収集し、1平方メートルあたり1890.6グラムの水をリサイクルすることができ、44.9％の節水効果を達成し、灌漑用水の無駄を大幅に削減できます。

ハイドロゲルのその他の用途

スキンケアの分野では、ハイドロゲルは、肌にぴったりフィットして水分を効果的に閉じ込めて放出し、肌に長時間持続する深い栄養を与え、水分補給と輝きを回復させるフェイシャルマスクにすることができます。

環境保護の分野では、ハイドロゲルはさまざまな効率的な水処理材料の開発にも使用されています。水中の重金属イオン、有機汚染物質などの有害物質を吸着・除去し、水質を効果的に浄化し、人々の飲料水の安全性を確保します。

水処理

（写真提供：veerフォトギャラリー）

スマートマテリアルの分野では、水に反応する独自の能力を持つハイドロゲルが広く使用されています。例えば、刺激応答性ハイドロゲルは、外部環境（温度、湿度など）の変化に応じて変形したり電気信号を生成したりすることができ、スマートウェアラブルデバイスに新しい機能とインタラクションモードを提供します。

結論

太陽光駆動型ハイドロゲルの誕生は、伝統的な温室における大きな進歩であるだけでなく、持続可能な農業開発の概念の実践でもあります。これは、科学技術の助けを借りて、人類が天然資源の不足という問題を克服し、より環境に優しく、より効率的な生産モデルを作り出す能力を持っていることを示しています。私たちは、このハイテク素材が農業生産に応用され、節水と農業のハイテク開発に貴重な貢献をすることを期待しています。

参考文献:

1. Zou、H.、Yang、X.、Zhu、J. 他。受動的な植物蒸散と土壌蒸発からの水をリサイクルするための太陽光駆動型スケーラブル吸湿性ゲル[J]。ナットウォーター、2024年。

2.Achour, Y. 他精密農業への道としての現代の持続可能な温室栽培における技術的進歩[J]。更新します。さようなら。エネルギー。 Rev. 12021。

3. 崔桂冠、徐立琴。温室灌漑技術に関する議論[J]。節水灌漑、2007年。

4. 翟茂林、河紅飛。ハイドロゲルの合成、特性および応用[J]。大学化学、2001年。