Капли воды могут скользить по поверхности листа или отскакивать от неё, потому что лист покрыт восковым гидрофобным (водоотталкивающим) покрытием. Однако это создаёт проблему для фермеров при распылении пестицидов, поскольку капли могут отскакивать от растений, не прилипая к ним, и загрязнять почву и воду.
«Около 50% пестицидов таким образом тратится впустую», — говорит Рутвик Латия, бывший аспирант Центра нанонаук и инженерии (CeNSE) Индийского научного института (IISc), а ныне постдок в Институте Макса Планка по исследованию полимеров.
Латия входит в команду под руководством Просенджита Сена, доцента CeNSE, которая придумала гениальный способ решения этой проблемы. Новый подход использует жидкие шарики (ЛШ) и является более безопасной альтернативой использованию поверхностно-активных веществ, полимеров и масел — которые вредны для окружающей среды — для повышения смачиваемости. Исследование опубликовано в Journal of Colloid and Interface Science.
Что такое жидкие шарики?
ЛШ — это капли, защищённые покрытием из гидрофобных частиц, и первоначально они использовались в качестве миниатюрных сосудов для некоторых химических и биохимических реакций. Гидрофобное покрытие защищает крошечный объём жидкости внутри от внешних поверхностей и воздуха, предотвращая загрязнение.
Команда IISc увидела потенциал ЛШ для нанесения капель из-за предыдущего проекта, связанного с ударом капель о супергидрофобные поверхности. Они заметили, что ЛШ отскакивают не так сильно, как голые капли. Это привело их к мысли, что эти ЛШ можно использовать для распыления или нанесения капель.
Чтобы приготовить ЛШ, исследователи создали слой из необходимых гидрофобных частиц и позволили каплям воды свободно скатываться по ним. Чтобы создать гидрофобную поверхность, команда сначала нанесла покрытие из тефлона и полидиметилсилоксана (ПДМС) — соединений, известных своей гидрофобностью и химической стойкостью — на стеклянную и кремниевую подложку.
Однако поверхности растений также гибкие по своей природе. Чтобы имитировать это, команда изготовила консольные элементы из нержавеющей стали разной длины. Затем на поверхность было нанесено покрытие из тефлона, чтобы сделать её гидрофобной.
Ещё одной задачей было выбрать правильные гидрофобные частицы для ЛШ. «Те, которые обычно используются в лабораториях, имеют покрытие из гидрофобных стеклянных шариков и тефлона. Но это очень вредно для растений», — говорит Латия.
Поэтому команда изучила альтернативные частицы, которые являются биоразлагаемыми и органическими, такие как ликоподий и зеин. Зеин — это белок, содержащийся в кукурузе, известный своей нерастворимостью в воде и плёнкообразующими свойствами. ЛШ, изготовленные из этих материалов, оказались более эффективными, чем ЛШ на основе стеклянных шариков. Команда также протестировала нанесение этих ЛШ на лист розы.
Причина, по которой ЛШ так эффективны при нанесении, объясняет Латия, заключается в том, что они следуют совершенно другому способу нанесения по сравнению с каплями воды.
Когда ЛШ ударяется о гидрофобную поверхность, он растекается, увеличивается в размерах и отступает от поверхности. Это отступление заставляет гидрофобные частицы сталкиваться друг с другом, вызывая высокую потерю энергии из-за потока жидкости против застрявших частиц. Поэтому капля внутри не может восстановить кинетическую энергию, чтобы отпрыгнуть обратно, таким образом прилипая к поверхности и увеличивая нанесение капель.
Помимо применения пестицидов, команда также рассматривает возможность применения в печати на гидрофобных материалах, таких как некоторые виды жёсткого пластика.
«После того как мы доказали концепцию, нам предстоит решить две основные задачи», — говорит Сен. «Во-первых, мы должны сделать метод экономичным. Во-вторых, мы должны масштабировать процесс. Нам нужно найти механизм, который создаёт большое количество ЛШ при распылении этих пестицидов».
Предоставлено Индийским научным институтом.