Dynamics of an impacting emulsion droplet:The influence of material science in agriculture

Emulsioner af oliebaserede pesticider er meget udbredt i landbruget, selvom de er en stor miljø- og sundhedsfare, fordi de preller af planteoverflader på grund af deres hydrofobe natur, hvilket resulterer i forurening af vand og jord. I en ny rapport beskrev Maher Damak og et team af videnskabsmænd i maskinteknik ved MIT en uventet overgang fra at hoppe til at holde sig til at hoppe, med accelereret anslagshastighed af dråben. Holdet fremhævede fænomenets underliggende fysik og demonstrerede processen ved at regulere en omhyggelig balance mellem tre tidsskalaer:tidspunktet for dråbekontakt, tidspunktet for olieimprægnering og dannelsen af ​​olieryggen. Derefter byggede de et designkort til nøjagtigt at regulere dråbespring og oliedækning. Forskningen er nu publiceret i Science Advances .

Brug af materialevidenskab til miljøoptimeret landbrugspraksis

Emulsionsspray er afgørende i industrier, og landbrugsspray omfatter almindeligvis olie-i-vand-emulsioner indeholdende emulgerbare koncentrater med en aktiv pesticidingrediens i oliefasen blandet med vand. I dette tilfælde er oliedråberne normalt i mikronskalaområdet, derfor kan emulsioner forstøves og sprøjtes på planter. Imidlertid er den manglende tilbageholdelse af landbrugsspray på hydrofobe planter en væsentlig begrænsning, der kan forårsage storstilet forurening. Materialeforskere har grundigt undersøgt dråbepåvirkningerne af rene væsker på superhydrofobe overflader. Forskere har brugt overfladeaktive stoffer til at reducere overfladespændingen og derved reducere dråbestød, men de er mindre effektive. I dette arbejde undersøgte forskerholdet virkningen af ​​emulsionsdråber på superhydrofobe overflader.

Hovedforfatter og postdoc-stipendiat Maher Damak, som er tilknyttet MIT Varanasi Group af professor Kripa Varanasi, og også er administrerende direktør og medstifter af Infinite Cooling, beskrev motivationen bag deres undersøgelse og sagde:"Forskningen var motiveret af faktum, at der er meget pesticidaffald på grund af dråber, der preller af planteoverflader, mens de sprøjtes... den metode, vi udviklede i denne undersøgelse, bruger olieemulsioner til at afbøde problemet ved at tillade dråber at klæbe på hydrofobe planteoverflader."

Holdet viste, hvordan metastabile emulsioner indeholdende en pesticidbærerolie og vand alene kan være effektive, når de bruges med de rigtige emulsions- og sprøjteparametre. Indførelsen af ​​overfladeaktive stoffer-fri sprays i landbruget kan forhindre spredning af store giftige kemikalier i miljøet og reducere omkostningerne i landbruget.

Forskerne undersøgte adfærden af ​​emulsionsdråbepåvirkninger ved at blande modeloliehexadecan med vand og brugte en sonikator til at fremstille en olie-i-vand-emulsion til landbrugsspray. De brugte hexadecan som model og inkluderede ikke overfladeaktive stoffer for at bevise, at formuleringer uden overfladeaktive stoffer effektivt kan sikre dråbetilbageholdelse. De overfladeaktive stoffri emulsioner var metastabile i mere end tre timer - længere end den typiske varighed af landbrugssprays. Damak fremhævede betydningen af ​​denne metode:"Mange pesticider sprøjtes allerede som olieemulsioner, og dette arbejde kan gøre det muligt for avlere at justere parametrene for disse emulsioner for at gøre dem meget mere effektive uden at tilføje andre kemikalier." Emulsioner kan derfor laves på gården og sprøjtes mens de stadig er stabile. I forsøgsopstillingen brugte holdet en nål til at dispensere dråber på en superhydrofob overflade og varierede oliekoncentrationen i emulsionen med det mål at fastholde bærervanddråberne, mens pesticidmolekylerne nåede planteoverfladen. Holdet forklarede fænomenet via en trefaset mekanisme.

Eksperimentelle trin:Olieimprægnering, rygningsdannelse, hoppe-klæbende-hoppende overgang

Damak et al. afbildede overfladen efter påvirkningen af ​​en olie-i-vand-emulsionsdråbe ved hjælp af et optisk mikroskop. I den anden fase bemærkede de dannelsen af ​​en olieryg omkring emulsionsdråben. Da emulsionsdråben trak sig tilbage, bemærkede holdet en overflade, der var delvist fyldt med olie. Ved afslutningen af ​​denne fase observerede de en sugekraft udøvet af dråben for at forhindre den i at hoppe. Da overfladeenergien konverteres tilbage til kinetisk energi, begyndte emulsionsdråben at accelerere lodret med en typisk "springaccelerationsækvivalent kraft." Forskerne forstod oprindelsen af ​​hoppe-klistre-hoppe-overgangen i forhold til Weber-tal; en parameter, der repræsenterer forholdet mellem forstyrrende hydrodynamiske kræfter og den stabiliserende overfladespændingskraft. "Vi fandt ud af, at den emulgerede olie kan aflejre sig på overfladen i løbet af anslagets tidsskala og udøve en sugekraft på dråben, hvilket forhindrer den i at hoppe af overfladen," sagde Damak.

Outlook

Holdet udforskede derved virkningerne af olieviskositet og dannede et designkort for effektive emulsionssprays med et optimalt udvalg af viskositeter og optimalt Weber-talområde. De designede sprayene til at opfylde Webers tal- og viskositetsregimer. De udførte yderligere makroskopiske eksperimenter med sprayene og opnåede højhastighedsvideoer af vand og emulsionsspray, der påvirker en superhydrofob overflade. På denne måde afslørede Damak og kolleger en hidtil ukendt mekanisme til at klæbe emulsionsdråber på superhydrofobe overflader. Holdet undersøgte de underliggende mekanismer i fysikken for at vise effektiviteten af ​​metoden under sprayretention med modellen uden overfladeaktive stoffer.

Fremtidigt arbejde kan være lovende, med anvendelser i landbruget allerede i gang, som Damak forklarer:"Forskning er ved at blive oversat til markedet gennem en startup, vi grundlagde, AgZen. Vi udvikler sprøjter og procedurer, der i høj grad kan øge effektiviteten af ​​sprøjtning og reducere spild. i landbruget og vil snart lave markforsøg med avlere." Forskerne forestiller sig forbedret sprayopbevaring med minimeret miljøforurening med pesticider til effektive anvendelser. + Udforsk yderligere

Universal stabilisering

© 2022 Science X Network