应用 | 利用叶酸/锌超分子水凝胶改善农药液滴的破裂和飞溅

农药可以控制或抑制病虫害的发生与扩散，以保护农作物的生长和产量。只有当含有农药有效地沉积和滞留在作物表面时，才能发挥防治作用。据调查，在喷洒过程中，50%以上的农药在作物叶片上弹跳和飞溅，使得农药液滴漂移到非目标区域或从植物叶片上滚下，继而造成土壤和水体污染，危害人体健康。

以前的研究人员通过添加添加剂来提高液滴的保留率来改善液体的性能。因为通过农药喷雾溶液中加入表面活性剂，可以降低表面张力，提高液滴在疏水表面的滞留。最近有研究人员提出了更多不同的方法。

Song[1]等人就提出了一种增加液滴沉积的新方法。通过选择麦草畏（一种农药）作为水凝胶负载的农药活性成分，命名为麦草畏水凝胶。藜叶（一种杂草）是麦草畏控制的对象，其叶表面具有蜡质层的超疏水性。负载农药的叶酸/锌不是像表面活性剂那样通过降低表面张力来增强沉积，而是通过内部交联形成纳米纤维网络来限制液滴的运动，从而抑制液滴的飞溅和反弹。

制备麦草畏的叶酸/锌超分子水凝胶

称取1mm的叶酸，放入烧杯中，加入超纯水，得到叶酸溶液。配制10 mM氢氧化钾溶液，将叶酸溶液pH调至10以上，得到清澈的叶酸溶液。然后称取1.3 g麦草畏加入叶酸溶液中。用吸管枪将混合溶液吸入塑料试管中，然后加入硝酸锌溶液。XH-C涡旋混合器对试管进行30 s ~ 1 min的涡流后静置20 min以上，得到清澈均匀的麦草畏水凝胶。叶酸与硝酸锌的比例为1:8 .8，麦草畏浓度为19.5 mg/mL。

图1. 水、叶酸溶液、麦草畏- KOH、叶酸/锌水凝胶和麦草畏水凝胶的润湿性。(a)悬滴法得到的表面张力。(b)超疏水杂草叶片的接触角。

麦草畏负载的叶酸/锌超分子水凝胶的润湿性。作为对照，考察了麦草畏水凝胶中其他组分的溶液。通过测量叶片表面的表面张力和接触角来获得润湿性只有叶酸/锌超分子水凝胶的表面张力较水略有下降，如图1a所示。麦草畏水凝胶等溶液与纯水相比变化不明显。麦草畏水凝胶与其他溶液的接触角在杂草叶片表面呈现非润湿状态，见图1b。

图2. 麦草畏水凝胶液滴高速撞击超疏水叶片后在表面稳定沉积示意图。(a)下降。(b)麦草畏、Zn2+、叶酸、交联纳米纤维网络结构和蜡质超疏水表面叶片示意图。(c)扩散液滴。(d)液滴扩散时边缘的放大图像。(e)液滴扩散到最大。(f)液滴扩散到最大直径时边缘的放大图像。(g)液滴牢牢地落在叶子上。(h)最终液滴滞留在叶片上的全貌。

总结

我们可以发现麦草畏水凝胶体系的表面张力没有明显降低，润湿性也没有发生变化。麦草畏水凝胶滴在杂草叶片表面有良好的沉积效果。因此，液滴接触叶片后的动态运动过程（麦草畏凝胶的冲击过程如图2所示）表明，含有麦草畏的叶酸/锌超分子水凝胶并没有降低液滴的表面张力和接触角，但提高了液滴与超疏水叶片表面的粘附性，从而抑制了液滴的破裂、飞溅和弹跳。

参考文献：

[1] Song, Y., Cao, C., Liu, K., Huang, J., Zheng, L., Cao, L., Li, F., Zhao, P., Huang, Q., The Use of Folate/Zinc Supramolecular Hydrogels to Increase Droplet Deposition on Chenopodium album L. Leaves. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(34), 12911–12919.