Emulsioner av oljebaserade bekämpningsmedel används i stor utsträckning inom jordbruket, även om de utgör en stor miljö- och hälsorisk eftersom de studsar mot växtytor på grund av sin hydrofoba natur, vilket resulterar i förorening av vatten och mark. I en ny rapport beskrev Maher Damak och ett team av forskare inom maskinteknik vid MIT en oväntad övergång från att studsa till att hålla sig till studs, med accelererad anslagshastighet för droppen. Teamet lyfte fram fenomenets underliggande fysik och demonstrerade processen genom att reglera en noggrann balans mellan tre tidsskalor:tidpunkten för kontakt med dropparna, tiden för oljeimpregnering och bildandet av oljeryggen. De byggde sedan en designkarta för att noggrant reglera droppstudsar och oljetäckning. Forskningen publiceras nu i Science Advances .

Använda materialvetenskap för miljöoptimerade jordbruksmetoder

Emulsionssprayer är avgörande i industrier och jordbrukssprayer inkluderar vanligtvis olja-i-vatten-emulsioner som innehåller emulgerbara koncentrat med en aktiv bekämpningsmedelsingrediens i oljefasen blandad med vatten. I detta fall är oljedropparna vanligtvis i mikronskalaområdet, därför kan emulsioner finfördelas och sprayas på växter. Men bristen på kvarhållande av jordbrukssprayer på hydrofoba växter är en stor begränsning som kan orsaka storskaliga föroreningar. Materialforskare har utförligt studerat droppeffekterna av rena vätskor på superhydrofoba ytor. Forskare har använt ytaktiva ämnen för att minska ytspänningen och därigenom minska droppstudsningen, men de är mindre effektiva. I detta arbete studerade forskargruppen effekten av emulsionsdroppar på superhydrofoba ytor.

Huvudförfattare och postdoktor Maher Damak, som är ansluten till MIT Varanasi Group av professor Kripa Varanasi, och även är VD och medgrundare av Infinite Cooling, beskrev motivationen bakom deras studie och sa:"Forskningen motiverades av faktum att det finns mycket bekämpningsmedelsavfall på grund av droppar som studsar från växtytor när de sprayas ... metoden vi utvecklade i den här studien använder oljeemulsioner för att mildra problemet, genom att tillåta droppar att fastna på hydrofoba växtytor."

Teamet visade hur metastabila emulsioner som innehåller en pesticidbärarolja och enbart vatten kan vara effektiva när de används med rätt emulsions- och sprayparametrar. Införandet av sprayer utan ytaktiva ämnen i jordbruket kan förhindra spridning av storskaliga giftiga kemikalier i miljön och minska kostnaderna inom jordbruket.

Forskarna studerade beteendet hos emulsionsdroppar genom att blanda modelloljehexadekan med vatten och använde en sondsonikator för att producera en olja-i-vatten-emulsion för jordbrukssprayer. De använde hexadekan som modell och inkluderade inte ytaktiva ämnen, för att bevisa att formuleringar utan ytaktiva ämnen effektivt kan säkerställa droppretention. De ytaktiva emulsionerna var metastabila i mer än tre timmar - längre än den typiska varaktigheten för jordbrukssprayer. Damak betonade betydelsen av denna metod:"Många bekämpningsmedel sprayas redan som oljeemulsioner och detta arbete kan tillåta odlare att justera parametrarna för dessa emulsioner för att göra dem mycket mer effektiva, utan att tillsätta några andra kemikalier." Emulsioner kan därför göras på gården och sprayas medan de fortfarande är stabila. I den experimentella uppställningen använde teamet en nål för att dispensera droppar på en superhydrofob yta och varierade oljekoncentrationen i emulsionen med målet att behålla bärarvattendropparna, medan pesticidmolekylerna nådde växtytan. Teamet förklarade fenomenet via en trefasmekanism.

Experimentella steg:Oljeimpregnering, åsbildning, studs-klibbar-studsande övergång

Damak et al. avbildade ytan efter anslaget av en olja-i-vatten-emulsionsdroppe med hjälp av ett optiskt mikroskop. Under den andra fasen noterade de bildandet av en oljerygg runt emulsionsdroppen. När emulsionsdroppen drog sig tillbaka, noterade teamet en yta delvis fylld med olja. Vid slutförandet av denna fas observerade de en sugkraft som utövades av droppen för att förhindra den från att studsa. När ytenergin omvandlades tillbaka till kinetisk energi, började emulsionsdroppen att accelerera vertikalt med en typisk "studsacceleration ekvivalent kraft." Forskarna förstod ursprunget till studs-stick-studs-övergången i förhållande till Weber-tal; en parameter som representerar förhållandet mellan störande hydrodynamiska krafter och den stabiliserande ytspänningskraften. "Vi fann att den emulgerade oljan kan avsättas på ytan under tidsskalan av stöten och utöva en sugkraft på droppen, vilket förhindrar att den studsar från ytan," sa Damak.

Outlook

Teamet undersökte därmed effekterna av oljeviskositet och bildade en designkarta för effektiva emulsionssprayer med ett optimalt intervall av viskositeter och optimalt Weber-nummerområde. De designade sprayerna för att uppfylla Webers antal och viskositetsregimer. De utförde ytterligare makroskopiska experiment med sprayerna och fick höghastighetsvideor av vatten och emulsionssprayer som påverkar en superhydrofob yta. På detta sätt avslöjade Damak och kollegor en hittills okänd mekanism för att fästa emulsionsdroppar på superhydrofoba ytor. Teamet utforskade fysikens underliggande mekanismer för att visa effektiviteten av metoden under sprayretention med modellens tensidfria system.

Framtida arbete kan vara lovande, med tillämpningar inom jordbruket redan på gång, som Damak förklarar:"Forskningen översätts till marknaden genom en startup som vi grundade, AgZen. Vi utvecklar sprutor och procedurer för att avsevärt förbättra effektiviteten av sprutning och minska avfallet inom jordbruket och kommer snart att göra fältförsök med odlare." Forskarna föreställer sig förbättrad sprayhållning med minimerad miljöförorening med bekämpningsmedel för effektiva tillämpningar. + Utforska vidare

Universal stabilisering

© 2022 Science X Network