Een kleverige oplossing voor een betere afzetting van pesticiden

Waterdruppels kunnen naar beneden glijden of van het oppervlak van een blad stuiteren omdat het een wasachtige hydrofobe (waterafstotende) coating heeft. Dit vormt echter een uitdaging voor boeren wanneer pesticiden worden gespoten, omdat de druppels van planten kunnen stuiteren zonder eraan te blijven kleven, en de bodem en het water kunnen vervuilen.

“Ongeveer 50% van de pesticiden wordt op deze manier verspild”, zegt Rutvik Lathia, voormalig Ph.D. student aan het Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, en momenteel postdoc aan het Max Planck Institute for Polymer Research.

Lathia maakt deel uit van een team onder leiding van Prosenjit Sen, universitair hoofddocent bij CeNSE, dat een ingenieuze manier heeft bedacht om dit probleem aan te pakken. De nieuwe aanpak maakt gebruik van vloeibare knikkers (LM’s) en is een veiliger alternatief voor het gebruik van oppervlakteactieve stoffen, polymeren en oliën – die schadelijk zijn voor het milieu – om de bevochtigbaarheid te vergroten. De studie is gepubliceerd in de Journal of Colloïd- en Interfacewetenschap.

LM’s zijn druppeltjes die worden beschermd door een coating van hydrofobe deeltjes en werden oorspronkelijk gebruikt als miniatuurvaten voor bepaalde chemische en biochemische reacties. De hydrofobe coating beschermt het kleine vloeistofvolume binnenin tegen externe oppervlakken en lucht, waardoor besmetting wordt voorkomen.

Het IISc-team erkende echter het potentieel van LM’s voor de afzetting van druppels vanwege een eerder project waarbij druppeleffecten op superhydrofobe oppervlakken betrokken waren. Ze hadden gemerkt dat de LM’s niet zo veel terugstuiterden als de kale druppels. Dit bracht hen op het idee dat deze LM’s gebruikt konden worden voor spray- of druppelafzetting.

Om de LM’s voor te bereiden, ontwierpen de onderzoekers een bed van de benodigde hydrofobe deeltjes en lieten ze waterdruppels er vrij overheen rollen. Om een ​​hydrofoob oppervlak te creëren, bracht het team aanvankelijk een coating van Teflon en PDMS (polydimethylsiloxaan) aan – verbindingen die bekend staan ​​om hun hydrofobiciteit en chemische weerstand – over een glas- en siliciumsubstraat.

Plantoppervlakken zijn echter ook flexibel van aard. Om dit na te bootsen, vervaardigde het team uitkragingen van roestvrij staal met verschillende lengtes. Vervolgens werd een coating van teflon aangebracht om het oppervlak hydrofoob te maken.

Een andere uitdaging was het kiezen van de juiste hydrofobe deeltjes voor de LM’s. “Degene die doorgaans in laboratoria worden gebruikt, hebben een coating van hydrofobe glaskralen en teflon, maar dat is zeer schadelijk voor de planten”, zegt Lathia.

Het team onderzocht daarom alternatieve deeltjes die biologisch afbreekbaar en organisch zijn, zoals lycopodium en zeïne. Zeïne is een eiwit dat voorkomt in maïs en bekend staat om zijn onoplosbaarheid in water en filmvormende eigenschappen. LM’s gemaakt met deze materialen bleken efficiënter te zijn dan op glaskralen gebaseerde exemplaren. Het team testte ook de afzetting van deze LM’s op een blad van een rozenplant.

De reden waarom de LM’s zo efficiënt zijn in depositie, legt Lathia uit, is dat ze een heel andere depositiemethode volgen dan waterdruppels.

Wanneer een LM een hydrofoob oppervlak raakt, spreidt deze zich uit, wordt groter en trekt zich terug van het oppervlak. Deze terugtrekking zorgt ervoor dat de hydrofobe deeltjes met elkaar botsen, waardoor een grote hoeveelheid energieverlies ontstaat als gevolg van de vloeistofstroom tegen de vastgelopen deeltjes. Daarom is de druppel binnenin niet in staat de kinetische energie terug te winnen om weer omhoog te stuiteren, waardoor hij aan het oppervlak blijft kleven en de druppelafzetting wordt bevorderd.

Naast de inzet van pesticiden overweegt het team ook toepassingen in het printen op hydrofobe materialen zoals bepaalde harde kunststoffen.

“Nu het proof-of-concept klaar is, moeten we in de eerste plaats twee uitdagingen aangaan”, zegt Sen. “Ten eerste moeten we de methode economisch maken. De tweede is het opschalen van het proces. We moeten een mechanisme vinden dat een groot aantal LM’s creëert wanneer deze pesticiden worden gespoten.”