Impatti delle goccioline d'acqua e delle goccioline di emulsione olio in acqua su superfici superidrofobiche. (A) Schema di configurazione sperimentale. (B) Istantanee di video ad alta velocità di emulsione e goccioline d'acqua che impattano su una superficie. L'emulsione è un'emulsione esadecano in acqua ad una concentrazione del 20%. A We =50, entrambe le goccioline rimbalzano. A We =87, l'acqua rimbalza mentre l'emulsione si attacca. A We =95, entrambe le goccioline schizzano e rimbalzano. (C) Schema della dinamica dell'impatto dell'acqua e dell'emulsione che mostra le tre fasi:impregnazione, formazione di creste d'olio e partenza. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Le emulsioni di pesticidi a base di olio sono ampiamente utilizzate in agricoltura, sebbene rappresentino un grave pericolo per l'ambiente e la salute perché rimbalzano sulle superfici delle piante a causa della loro natura idrofobica, con conseguente inquinamento dell'acqua e del suolo. In un nuovo rapporto, Maher Damak e un team di scienziati in ingegneria meccanica del MIT hanno descritto una transizione inaspettata dal rimbalzo all'attaccamento al rimbalzo, con una velocità di impatto accelerata della gocciolina. Il team ha evidenziato la fisica alla base del fenomeno e ha dimostrato il processo regolando un attento equilibrio di tre scale temporali:il tempo di contatto delle goccioline, il tempo di impregnazione d'olio e la formazione della cresta d'olio. Hanno quindi costruito una mappa di progettazione per regolare con precisione il rimbalzo delle goccioline e la copertura dell'olio. La ricerca è ora pubblicata su Science Advances .
Utilizzare la scienza dei materiali per pratiche agricole ottimizzate dal punto di vista ambientale
Gli spray emulsionati sono fondamentali nelle industrie e gli spray agricoli comunemente includono emulsioni olio in acqua contenenti concentrati emulsionabili con un ingrediente pesticida attivo nella fase oleosa miscelato con acqua. In questo caso, le goccioline di olio sono generalmente nell'intervallo di micron, quindi le emulsioni possono essere atomizzate e spruzzate sulle piante. Tuttavia, la mancanza di ritenzione degli spray agricoli sulle piante idrofobiche è una limitazione importante che può causare un inquinamento su larga scala. Gli scienziati dei materiali hanno studiato a fondo gli impatti delle goccioline di liquidi puri su superfici superidrofobiche. I ricercatori hanno utilizzato tensioattivi per ridurre la tensione superficiale e quindi ridurre il rimbalzo delle goccioline, tuttavia sono meno efficaci. In questo lavoro, il team di ricerca ha studiato l'impatto delle goccioline di emulsione sulle superfici superidrofobiche.
L'autore principale e post-dottorato Maher Damak, affiliato al MIT Varanasi Group del professor Kripa Varanasi, ed è anche CEO e co-fondatore di Infinite Cooling, ha descritto la motivazione alla base del loro studio, affermando:"La ricerca è stata motivata dal fatto che ci sono molti rifiuti di pesticidi a causa delle goccioline che rimbalzano sulle superfici delle piante mentre vengono spruzzate.... il metodo che abbiamo sviluppato in questo studio utilizza emulsioni oleose per mitigare il problema, consentendo alle goccioline di attaccarsi alle superfici idrofobiche delle piante".
Il team ha mostrato come le emulsioni metastabili contenenti un olio vettore di pesticidi e l'acqua da sole possono essere efficaci se utilizzate con l'emulsione e i parametri di spruzzatura corretti. L'introduzione di spray senza tensioattivi in agricoltura può prevenire la diffusione di sostanze chimiche tossiche su larga scala nell'ambiente e ridurre i costi in agricoltura.
Impregnazione con olio delle superfici durante gli impatti dell'emulsione. (A) Immagini al microscopio della superficie dopo gli impatti di goccioline di emulsione con varie concentrazioni su superfici superidrofobiche inclinate a We =30. (B) Istantanee di video dal basso ad alta velocità della fase di diffusione di un'emulsione di esadecano in acqua al 20% impatto delle goccioline su una superficie superidrofobica trasparente (We =60). Il fuoco della lente è sul piano interfacciale tra la goccia e la superficie. I punti neri sono goccioline di olio che si depositano sulla superficie. (C) Misure sperimentali del diametro normalizzato del deposito in funzione del numero di Weber per varie concentrazioni di emulsioni olio in acqua. (D) Copertura d'olio della superficie dopo l'impatto. I simboli sono misurazioni sperimentali (SD da sei esperimenti ripetuti con We variabile tra 10 e 40) e la linea continua è la nostra previsione del modello. L'area grigia ombreggiata mostra le previsioni del modello per i raggi delle goccioline di olio che vanno da 400 a 900 nm. L'inserto è uno schema del cambiamento di forma delle goccioline d'olio quando impregnano la superficie. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Gli scienziati hanno studiato il comportamento degli impatti delle goccioline di emulsione mescolando l'esadecano di olio modello con l'acqua e hanno utilizzato un sonicatore a sonda per produrre un'emulsione olio in acqua per gli spray agricoli. Hanno utilizzato l'esadecano come modello e non hanno incluso i tensioattivi, per dimostrare che le formulazioni prive di tensioattivi possono garantire efficacemente la ritenzione delle goccioline. Le emulsioni prive di tensioattivi sono risultate metastabili per più di tre ore, più della durata tipica degli spray agricoli. Damak ha evidenziato il significato di questo metodo:"Molti pesticidi sono già spruzzati come emulsioni di olio e questo lavoro può consentire ai coltivatori di regolare i parametri di queste emulsioni per renderle molto più efficaci, senza aggiungere altri prodotti chimici". Le emulsioni possono quindi essere prodotte in azienda e spruzzate mentre sono ancora stabili. Nella configurazione sperimentale, il team ha utilizzato un ago per erogare goccioline su una superficie superidrofobica e ha variato la concentrazione di olio nell'emulsione con l'obiettivo di trattenere le goccioline d'acqua vettore, mentre le molecole di pesticida raggiungevano la superficie della pianta. Il team ha spiegato il fenomeno attraverso un meccanismo a tre fasi.
Fasi sperimentali:impregnazione d'olio, formazione di creste, transizione rimbalzo-attaccatura-rimbalzo
Damak et al. ha ripreso la superficie dopo l'impatto di una gocciolina di emulsione olio in acqua, utilizzando un microscopio ottico. Durante la seconda fase, hanno notato la formazione di una cresta d'olio attorno alla gocciolina di emulsione. Quando la goccia di emulsione si è ritirata, il team ha notato una superficie parzialmente riempita di olio. Al termine di questa fase, hanno osservato una forza di aspirazione esercitata dalla gocciolina per impedirne il rimbalzo. Quando l'energia superficiale riconvertita in energia cinetica, la goccia di emulsione ha iniziato ad accelerare verticalmente con una tipica "forza equivalente all'accelerazione di rimbalzo". I ricercatori hanno capito l'origine della transizione rimbalzare-attaccare-rimbalzare rispetto ai numeri di Weber; un parametro che rappresenta il rapporto tra le forze idrodinamiche dirompenti e la forza stabilizzante della tensione superficiale. "Abbiamo scoperto che l'olio emulsionato può depositarsi sulla superficie durante il periodo dell'impatto ed esercitare una forza di aspirazione sulla goccia, impedendogli di rimbalzare sulla superficie", ha affermato Damak.
Transizioni che rimbalzano-rimbalzano. (A) Schema di un diagramma a corpo libero di una goccia che si ritrae dopo l'impatto, che mostra la pressione esercitata dall'atmosfera, la pressione esercitata dallo strato di olio sottostante e la forza di tensione superficiale lungo la linea di contatto. (B) Istantanee di una goccia d'acqua con il 10% di esadecano che colpisce con un numero Weber di 24. La prima fila ha fotografie dell'intera goccia in varie fasi e la seconda fila ha fotografie ingrandite che mostrano la cresta dell'olio ogni volta che è visibile. (C) I valori del rapporto di forza calcolato tra la forza di rimbalzo e la forza di adesione nell'emulsione impatta esperimenti con varie concentrazioni (asse y sinistro) in funzione del numero sperimentale di Weber. I simboli verdi rappresentano le goccioline che si attaccano, mentre i simboli rossi rappresentano le goccioline che rimbalzano. I colori delle linee rappresentano diverse concentrazioni di olio. Le forme rappresentano diversi modelli di instabilità (quadrati per assenza di instabilità, rombi per schizzi e cerchi per instabilità del bordo e inizio degli schizzi). Le linee continue sono stime del modello dei rapporti di forza per tre concentrazioni di olio basate sull'equazione derivata per il rapporto di forza. La linea nera tratteggiata indica un rapporto di forza di 1, che è la transizione teorica dal rimbalzo all'attaccamento. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Impregnazione delle superfici mediante impatto sulle goccioline di emulsione ed effetto sulla transizione rimbalzante/adesiva. (A) Istantanee di un video ad alta velocità con vista dall'alto di un olio di silicone da 10 cSt in emulsione acquosa che colpisce una superficie a We =27. (B) Istantanee di un video ad alta velocità con vista dall'alto di un olio di silicone da 1000 cSt in emulsione acquosa che impatta su una superficie a We =24. (C) Risultati di impatto sperimentale di emulsioni olio in acqua di varie viscosità su superfici superidrofobiche e di goccioline d'acqua su superfici impregnate di liquido (LIS) con oli lubrificanti di varie viscosità. La linea continua inferiore mostra il limite al di sotto del quale le forze di aspirazione massime non superano l'inerzia delle goccioline e dove si prevede che si verifichi sempre un rimbalzo per le emulsioni. La linea continua superiore mostra il limite di viscosità al di sopra del quale le goccioline di olio nell'emulsione non hanno il tempo di impregnare la superficie durante il tempo di contatto e la superficie durante la fase di retrazione diverge da una superficie simile a LIS. Inserto:copertura superficiale subito dopo il rimbalzo per oli a viscosità diversa a una concentrazione del 10%. Altri punti di dati sono oli di silicone a varie viscosità. I dati sono stati raccolti per We =30 e We =50 e non vi era alcuna dipendenza dal numero di Weber. Le barre di errore indicano la SD su 10 misurazioni per l'olio di silicone e 6 misurazioni per l'esadecano. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Spruzzatura macroscopica di emulsione su superfici non bagnanti. (A) Istantanee di video ad alta velocità di spruzzi di acqua ed emulsione (8% di esadecano in acqua) su superfici superidrofobiche. Le goccioline spray hanno un diametro dell'ordine di 1 mm. I numeri di Weber erano per lo più compresi tra 40 e 200. Tutte le gocce d'acqua rimbalzano, mentre le gocce di emulsione si attaccano e si accumulano sulla superficie (vedi film S9 e S10). (B) Grafici del volume trattenuto del liquido spruzzato sulla superficie superidrofobica dopo aver spruzzato ripetutamente quantità fisse di acqua ed emulsioni di esadecano al 20%. Le linee tratteggiate sono accoppiamenti lineari. La pendenza della linea tratteggiata rossa corrispondente al caso dell'emulsione è 10 volte maggiore della pendenza della linea d'acqua. (C) Fotografia di una foglia di hosta dopo aver spruzzato il lato sinistro con acqua e il lato destro con un'emulsione di esadecano al 20%. Il lato sinistro rimane in gran parte asciutto, mentre un velo di liquido ricopre il lato destro. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Prospettiva
Il team ha quindi esplorato gli effetti della viscosità dell'olio e ha formato una mappa di progettazione per spruzzare emulsioni efficaci con una gamma ottimale di viscosità e una gamma di numeri Weber ottimale. Hanno progettato gli spray per soddisfare i regimi di viscosità e numero di Weber. Hanno eseguito ulteriori esperimenti macroscopici con gli spray e ottenuto video ad alta velocità di spruzzi di acqua ed emulsione che colpiscono una superficie superidrofobica. In questo modo, Damak e colleghi hanno svelato un meccanismo finora sconosciuto per attaccare le goccioline di emulsione su superfici superidrofobiche. Il team ha esplorato i meccanismi alla base della fisica per mostrare l'efficienza del metodo durante la ritenzione dello spray con il sistema modello senza tensioattivi.
Il lavoro futuro potrebbe essere promettente, con applicazioni in agricoltura già in corso, come spiega Damak:"La ricerca si sta traducendo nel mercato attraverso una startup che abbiamo fondato, AgZen. Stiamo sviluppando atomizzatori e procedure per migliorare notevolmente l'efficienza dell'irrorazione e ridurre gli sprechi in agricoltura e presto effettuerà prove sul campo con i coltivatori". Gli scienziati prevedono una migliore ritenzione degli spray con un inquinamento ambientale ridotto al minimo con pesticidi per applicazioni efficienti. + Esplora ulteriormente
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