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江雷院士团队最新《AFM》:大幅度提高农药使用效率的综合策略-岩拓气凝胶

江雷院士团队最新《AFM》:大幅度提高农药使用效率的综合策略

农药是现代农业不可缺少的,可节省30-40%的农作物,并将继续提高农业总产量,以满足2050年97亿人口的需求。传统的农药配方主要是乳油(EC)和可湿性粉剂(WP),容易被冲刷到环境中,并且装载的活性物质由于农药包封不良而大量分解和浸出。生物靶标对农药的实际吸收量不到1.0%。要达到杀虫效果,农药必须严重过度使用,在全球范围内已达到410万吨/年。农药的流失和农药配方中大量的有机溶剂造成了一系列的生态环境问题,甚至危害了人类健康。因此,可持续农业要求消除有机溶剂,提高农药使用效率。在使用水基杀虫剂的过程中,喷洒过程造成50%的农药损失。喷雾液滴在拒水叶片表面的接触时间很短,会导致不可避免的反弹和飞溅。目前,特别针对活性成分封装的胶囊由于刚性结构和低渗透性,无法增强液滴沉积或在超疏水表面上的长期粘附。此外,用于农药活性成分的胶囊化生产工艺复杂,包封率低,释放不完全,不可避免地要使用有机溶剂。因此,现有的控制农药流失和环境污染的策略,在这两个或两个以上的方面仍然不能奏效。

最近,中国科学院理化技术研究所江雷院士、董智超和化学研究所王毅琳研究员、Fan Yaxun合作 在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Control the Entire Journey of Pesticide Application on Superhydrophobic Plant Surface by Dynamic Covalent Trimeric Surfactant Coacervation”的文章,提出了一个大幅度提高农药使用效率的综合策略。利用亚胺基动态共价三聚表面活性剂,构建了一种水基凝聚体,以协同控制杀虫剂在拒水植物上的包封、沉积、保留和释放凝聚体由纳米网络和大量紧密结合的水组成,可以有效地包裹亲水/疏水性农药。同时,网络状微结构与超疏水表面的微/纳米结构发生缠结,保证了高速撞击和抑制风/雨侵蚀后在超疏水植物表面上完全沉积。此外,二氧化碳诱导的降解表面活性剂凝聚体决定了农药的精确释放。动态凝聚体作为一种新型的农药配方,为农药的应用提供了一条有前景的途径,有望促进农业生产和可持续发展。

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图文导读

具有三个或更多两亲性部分的低聚表面活性剂表现出更强的自组装能力和更多的作用位点,有利于凝聚体的形成。同时,动态亚胺键可使凝聚体具有环境响应性离解和农药释放。因此作者设计并合成了动态共价三聚表面活性剂,通过亚胺键将三个疏水性烷基链与阳离子头基连接起来。

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在超疏水植物表面控制农药施用全程的策略示意图。

三聚表面活性剂之间发生了进一步的结合,并且在更高浓度下形成了凝聚体。凝聚液滴中产生纳米纤维的随机缠结网络结构,该结构富含疏水微区和亲水界面。

凝聚体中的纳米网络促进了疏水性和亲水性客体分子的同时吸收和浓缩,其包封效高达93%~98%

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表面活性剂表征和农药凝聚体制备。

甘蓝叶片具有微/纳米层次结构和较强的防水表层蜡层,因此具有超疏水性。悬浮浓缩的稻虱净农药(SC-B)的液滴撞击时,液滴在叶面上的飞溅和反弹非常明显而添加了稻虱净的凝聚体却不发生飞溅、反弹和开裂行为。因此,液滴在超疏水叶片表面有效且完全沉积。

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凝聚体分散液滴在超疏水表面上撞击作为农药喷洒过程的模型。

完全的沉积是由凝聚体特殊的致密纳米网络结构以及凝聚体与超疏水表面之间所产生的牢固钉扎力有关。凝聚体高速撞击后,球形微滴牢固地粘附在叶表面的纳米柱上,显示了从Cassie态到Wenzel态的润湿转变。另外,凝聚体较强的结合水能力有利于其与超疏水叶表面各种特定极性微区的结合,有利于表面润湿性由超疏水性向亲水性的转变。

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高速撞击的凝聚液滴在超疏水表面的沉积机理。

二氧化碳在自然环境中普遍存在,会使凝聚体溶液酸化,进而分解亚胺基(图4a)。基于此特性,在24小时和40小时内可分别释放80%以上的亲水性荧光素和疏水性杀虫剂。在利用空气中的二氧化碳时,同样的释放过程在三个月内完成。因此,利用二氧化碳控制pH值,实现农药的精确控制和完全释放

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用TIS10凝聚体对表面活性剂离解和农药释放的表征。

农药沉积在作物叶片上,在自然环境下常因风或雨而流失。农药的延长释放时间要求凝聚体在超疏水的叶片表面上有足够的粘附力。为了评估风的影响,表征了凝聚体在16.4倍质量的离心力作用下在卷心菜叶片表面的粘附能力。凝聚体液滴的保留时间几乎是SC-B的5倍。然后,通过测试冲刷性能来评估凝聚体的耐雨性。在SC-B中的荧光素在雨水中被冲走,而荧光素包封的凝聚体保持完整。凝聚体对超疏水甘蓝叶表面具有较强的防雨能力,保证了农药的长期有效性。

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粘附能力和耐雨性表征。

亮点小结

综上所述,作者提供了一个可持续和创新的农药配方,依靠动态低聚表面活性剂凝聚体,通过控制农药施用的整个过程来提高效率。凝聚体中的纳米网络结构包含了亲水和疏水两个结构域,并与超疏水表面发生强烈的缠结,使表面活性剂凝聚体通过直接混合的方式有效地包裹了亲水/疏水性农药,抑制了滴溅和高速撞击后表面的反弹,并能保持长期的抗风、雨侵蚀性能。此外,表面活性剂分子中的动态共价键赋予凝聚体环境响应性解离和二氧化碳控制的完全释放。这一综合战略将解决杀虫剂使用效率低下的挑战,此外,创新的农药配方将促进科学基础和技术在其他领域的应用,如活性物质固定化以及人工和天然表面的智能生物纳米器件粘合剂。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006606

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