河南日?qǐng)?bào)客戶端記者 史曉琪 通訊員 郭治鵬
怎樣解決水滴在水稻、小麥、蔥類等超疏水植物葉片沉積難題，以提升農(nóng)藥等化學(xué)藥品使用效率，并更好地保護(hù)環(huán)境？7月26日，記者從河南農(nóng)業(yè)大學(xué)獲悉，該校宋美榮教授團(tuán)隊(duì)的最新研究在這一領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
宋美榮教授團(tuán)隊(duì)日前在美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊ACS nano發(fā)表了題為《增強(qiáng)水滴在條紋和彎曲結(jié)構(gòu)超疏水植物葉片的沉積》的重要文章，闡明了通過(guò)添加極少量柔性聚合物聚氧乙烯醚（PEO）和表面活性劑(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸鈉（AOT）復(fù)合助劑，解決水滴在水稻、小麥、蔥類等超疏水植物葉片上的各向異性撞擊損失問(wèn)題。這一研究對(duì)提升農(nóng)藥等化學(xué)藥品使用效率，大幅減少農(nóng)藥使用量、保護(hù)環(huán)境將起到重要作用。
一滴水，以不同的速度噴射而出，撞擊在固體表面，變形后肆意濺射，水花飛揚(yáng)……如果用電影慢鏡頭記錄下這一系列動(dòng)作，一定美得攝人心魄。不過(guò)，在科學(xué)家眼里，一滴水不只有這樣的美感。在宋美榮教授的眼里，一滴水的濺射就是一張張包含著特殊運(yùn)動(dòng)軌跡、力學(xué)作用的三維空間圖。控制一滴水的運(yùn)動(dòng)，讓它根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要延長(zhǎng)或縮短與固體表面的撞擊接觸時(shí)間——這就是宋美榮教授團(tuán)隊(duì)的主要研究?jī)?nèi)容。
自然界有很多超疏水葉片，由于其極低的表面能，使得水滴撞上去后極易反彈和濺射。這一特性，使得農(nóng)用化學(xué)藥品在噴灑過(guò)程中有超過(guò)50%的浪費(fèi)和損失。由于滯留困難，需要多次重復(fù)噴灑，造成過(guò)度使用，對(duì)食品安全和農(nóng)藥殘留有重大影響。同時(shí)，沒(méi)有滯留在葉片表面的農(nóng)藥會(huì)流入土壤、湖泊，造成二次生態(tài)污染。因此，研究水滴在超疏水表面上的沉積問(wèn)題對(duì)提高農(nóng)用化學(xué)品的利用率、減少浪費(fèi)和環(huán)境污染等具有非常重要的意義。
宋美榮教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)期研究，掌握了水滴撞擊條紋和彎曲結(jié)構(gòu)超疏水植物葉面的特點(diǎn)，凝練了“分裂——持留——鋪展”的解決思路，提出了添加具有顯著拉伸粘度的高分子量的聚合物稀溶液（如PEO）來(lái)抑制液滴的分裂、添加少量表面活性劑（如AOT）增強(qiáng)釘扎效應(yīng)留住水滴、降低平衡表面張力慢慢浸潤(rùn)葉片獲得較大的潤(rùn)濕鋪展面積的解決辦法。該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了研究思想和沉積策略。
這一研究不僅成功解決了水滴在水稻、小麥、花菜、蔥類等超疏水植物表面上的沉積問(wèn)題，而且在沉積機(jī)理上有了新的突破，首次將各向異性撞擊動(dòng)力學(xué)和沉積機(jī)理聯(lián)系起來(lái)，快速合理地選擇了助劑，這一理念和思想將來(lái)有可能影響整個(gè)沉積領(lǐng)域方面的應(yīng)用。
宋美榮團(tuán)隊(duì)的研究不僅在農(nóng)藥領(lǐng)域有廣泛用途。在生產(chǎn)生活和工程領(lǐng)域中，液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象普遍存在。在自清潔、防凍防冰領(lǐng)域，人們希望液滴能夠快速離開表面，其撞擊接觸時(shí)間越短越好；而在噴墨打印、農(nóng)藥噴灑、火災(zāi)撲救等領(lǐng)域，人們則希望液滴能夠滯留固體表面，液滴撞在固體上的接觸時(shí)間越長(zhǎng)越好。而此前，宋美榮團(tuán)隊(duì)還曾發(fā)表了《利用3D打印方法制備大尺度各向異性超疏水結(jié)構(gòu)降低液滴撞擊接觸時(shí)間的研究》《利用囊泡性表面活性劑AOT解決在超疏水表面上的撞擊濺射問(wèn)題》等多篇重要文章，對(duì)液滴撞擊固體表面的現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)闡釋，從中發(fā)現(xiàn)了一種全新的撞擊動(dòng)力學(xué)模型——雄鷹展翅式，并找到了有效控制水滴濺射的方法，從小水滴里做出了大學(xué)問(wèn)，被身邊的師生親切稱為“控制水滴飛行的科研女神”。
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