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河南农大研获“控制水滴的飞行”法门 该项研究成果将大幅提高农药利用率

2019年07月31日 点击:

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河南农业大学教授宋美荣

大河网讯(记者 张楠)“水滴的飞行”,听起来神奇又有趣的现象,其实是形象地表达了水滴在超疏水植物叶片上的运动状态。7月26日,大河网记者从河南农业大学获悉,为了有效提高农药利用率,减少环境污染,河南农业大学教授宋美荣团队在水滴在超疏水植物叶片上沉积难题上取得重要进展,科研女神再度发力。

关于“水滴的飞行”

一滴水,以不同的速度喷射而出,撞击在固体表面,变形后肆意溅射,水花飞扬……如果用电影慢镜头记录下这一系列动作,一定美得摄人心魄,恰如动作电影里雨幕中打斗的场景一样,酣畅淋漓。

不过,在科学家眼里,一滴水不止有这样的美感。在宋美荣的眼里,一滴水的溅射就是一张张包含着特殊运动轨迹、力学作用的三维空间图。控制一滴水的运动,让它根据实际应用的需要延长或缩短与固体表面的撞击接触时间——这就是宋美荣团队该项研究的主要内容。

日前,宋美荣教授团队在美国化学会期刊ACS nano发表了题为《增强水滴在条纹和弯曲结构超疏水植物叶片的沉积》的重要文章,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。

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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)

提高农药利用率 减少环境污染

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。

据介绍,由于滞留困难,需要多次重复喷洒,造成农药过度使用,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。

宋美荣团队通过长期研究,掌握了水滴撞击条纹和弯曲结构超疏水植物叶面的特点,凝练了“分裂——持留——铺展”的解决思路,提出了添加具有显著拉伸黏度的高分子量的聚合物稀溶液(如PEO)来抑制液滴的分裂、添加少量表面活性剂(如AOT)增强钉扎效应留住水滴、降低平衡表面张力慢慢浸润叶片获得较大的润湿铺展面积的解决办法。该团队还通过实验证实了研究思想和沉积策略。

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

应用前景广阔 将有效影响整个沉积领域研究

这一研究不仅成功解决了水滴在水稻、小麦、花菜、葱类等超疏水植物表面上的沉积问题,而且在沉积机理上有了新的突破,首次将各向异性撞击动力学和沉积机理联系起来,快速合理地选择了助剂,这一理念和思想将来有可能影响整个沉积领域方面的应用。

记者了解到,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,由于液滴撞击固体表面的现象普遍存在,因此,宋美荣团队的研究在这方面也将有重要的用途。

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。而此前,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,她也因此被身边的师生亲切地称为“控制水滴飞行的科研女神”。


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