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农药在水稻、小麦等叶片上的各向异性撞击损失问题被解决了

2019-08-08 10:08:13来源:iPlants作者:iPlants编辑:bianji2
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 自然界有很多超疏水叶片,由于其极低的表面能,使得水滴撞上去后极易反弹和溅射。这一特性,使得农用化学药品在喷洒过程中,有超过50%的浪费和损失,造成利用率低下。由于滞留困难,需要多次重复喷洒,造成过度使用,对食品安全和农药残留有重大影响。同时,没有滞留在叶片表面的农药会流入土壤、湖泊,造成二次生态污染。因此,研究水滴在超疏水表面上的沉积问题对提高农用化学品的利用率、减少浪费和环境污染等具有非常重要的意义。

    2019年7月,美国化学会期刊ACS Nano(2018影响因子13.903)发表了来自河南农业大学宋美荣教授团队的题为“Enhancing Droplet Deposition on Wired和Curved Superhydrophobic Leaves”(增强水滴在条纹和弯曲结构超疏水植物叶片的沉积)的文章,阐明了通过添加极少量柔性聚合物聚氧乙烯醚(PEO)和表面活性剂(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(AOT)复合助剂,解决了水滴在水稻、小麦、葱类等超疏水植物叶片上的各向异性撞击损失问题。这一研究对提升农药等化学药品使用效率、大幅减少农药使用量、保护环境将起到重要作用。

 

 


    水滴在超疏水表面沉积的困难,源于撞击接触时间短暂。一般而言,毫米级的水滴在平面超疏水基底撞击的接触时间只有10~12 ms左右,水滴越小,撞击接触时间越短。该研究团队曾于2017年在Science
Advances上发表文章,阐明了囊泡性表面活性剂AOT有效抑制超疏水平面上弹射和溅射问题。然而,农药在超疏水植物叶片上的沉积问题更为严重,最近的研究发现,如果在超疏水表面添加一些单条纹、交叉条纹、平行条纹或者弯曲结构,可以诱发各向异性铺展和回撤,水滴的接触时间将继续降低50%左右,变得更容易反弹和溅射。大多数超疏水叶片都具有条纹和弯曲结构特征,如甘蓝和花菜叶片上大大小小单独和交叉的叶脉;再如水稻和小麦叶片表面是以平行条纹为特征的超疏水表面;还有管状叶大葱、小香葱、比较粗的叶柄,都是弯曲表面。超疏水植物叶片表面的这些条纹和弯曲结构,会使水滴在撞击时的接触时间显著降低,极大增加液滴沉积的难度。


    该研究团队认真研究了水滴撞击在条纹和弯曲结构超疏水表面的共同特点,即都是各向异性撞击,导致水滴在某个方向上动量集中,伸长率增大,从而接触时间缩短,且容易分裂。根据这一特性,该研究团队提出了“分裂?持留?铺展”的解决办法,即首先采用极少量(<0.01%)具有显著拉伸粘度的高分子量的聚合物稀溶液(如PEO)来抑制液滴的分裂;其次,添加少量表面活性剂如AOT(0.1%以下),来增强钉扎效应(Pinning),留住水滴;最后,当液滴留在基底上,那些在液滴内部的表面活性剂分子就可以有充足的时间迁移到水滴表面来降低平衡表面张力,从而慢慢浸润叶片,获得较大的润湿铺展面积。


 


    水滴在单条纹超疏水表面的沉积策略(左图)以及在水稻背面的证实(右图)


 


    组合助剂增强水滴在条纹(水稻、花菜)和弯曲(葱)结构以及平面对照(甘蓝)超疏水植物叶片上的沉积

    宋美荣团队的研究不仅在农药领域有广泛用途。在生产生活和工程领域中,液滴撞击固体表面的现象普遍存在。在自清洁、防冻防冰领域,人们希望液滴能够快速离开表面,其撞击接触时间越短越好;而在喷墨打印、农药喷洒、火灾扑救等领域,人们则希望液滴能够滞留固体表面,液滴撞在固体上的接触时间越长越好。此前,宋美荣团队还曾发表了《利用3D打印方法制备大尺度各向异性超疏水结构降低液滴撞击接触时间的研究》《利用囊泡性表面活性剂AOT解决在超疏水表面上的撞击溅射问题》等多篇重要文章,对液滴撞击固体表面的现象进行了系统研究,对有关问题进行了详细阐释,从中发现了一种全新的撞击动力学模型??雄鹰展翅式,并找到了有效控制水滴溅射的方法,从小水滴里做出了大学问,宋美荣被身边师生亲切地称为“控制水滴飞行的科研女神”。

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