Исследователи представили новый класс нетоксичных, биоразлагаемых твёрдых смазочных материалов для облегчения посева семян современным сельхозоборудованием. Ожидается, что эта инновация заменит существующие смазочные материалы с экологическими недостатками.
Разработчики из Университета Северной Каролины опубликовали соответствующую статью в журнале Matter «Биопроизводные твердые смазочные материалы на основе теории графов», в которой также описали аналитическую модель для оценки потенциальных материалов для будущих технологий смазочных материалов.
В современном растениеводстве используется различная техника для точной и эффективной посадки семян в почву. Однако семена зачастую застревают в этих машинах, поэтому для бесперебойной подачи применяются твёрдые смазочные вещества против слипания семян. Проблема в том, что в коммерческих смазках для семян есть тальк или микропластик, что может представлять риск для фермеров, сельскохозяйственных угодий и опылителей.
«Смазочные материалы играют важнейшую роль в современном сельском хозяйстве, но требуют оптимизации для устранения токсичности. Мы разработали новый класс безопасных твердых смазочных материалов, которые эффективны и нетоксичны», — говорит Дхануш Удаяшанкара Джамагни, соавтор статьи по данной работе и аспирант Университета штата Северная Каролина.
«Все больше исследований показывают, что микропластик представляет опасность как для здоровья человека, так и для окружающей среды, и мы хотели создать новую смазку, которая была бы безопасной и биоразлагаемой. В итоге мы создали нечто относительно недорогое, эффективное и использующее экологически чистые и легкодоступные материалы», — говорит Мартин Туо, соавтор статьи и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина.
Новый смазочный материал создан на основе целлюлозы – биоразлагаемого материала растительного происхождения. Смазочный материал состоит из миллионов мельчайших волокон длиной 0,2–2 миллиметра и шириной 10–40 микрометров. Поверхность этих волокон покрыта гидрофобными частицами, отталкивающими воду. На вид совокупность искусственных волокон напоминает порошок.
При смешивании такого порошка с семенами трение снижается двумя способами. Во-первых, поверхность волокон более гладкая, чем поверхность семян. Скользя между семенами, волокна уменьшают механическое трение, возникающее при трении семян друг о друга.
Во-вторых, гидрофобные частицы на поверхности волокон отталкивают адсорбированную на поверхности семян воду, делая волокна ещё более скользкими. Это позволяет семенам проходить через сельскохозяйственное оборудование без застревания и слипания.
В ходе концептуальных испытаний и полевых испытаний с семенами кукурузы и сои новый смазочный материал показал себя как минимум в пять раз лучше лучших коммерческих смазочных материалов на основе талька и в 25 раз лучше смазочных материалов на основе микропластика.
«Отмечу, новая смазка превосходит коммерческие смазочные материалы еще больше при использовании более мелких семян, таких как горчица и рапс, или в условиях высокой влажности», — говорит Удаяшанкара Джамагни.
И этот момент, касающийся влажности, очень важен.
«Фермерам сложно сеять на полях, когда стоит высокая влажность или сырая погода, потому что из-за влаги семена слипаются и засоряют технику. Мы протестировали нашу смазку на основе целлюлозы во влажных условиях — при влажности до 80% — и она работает превосходно. Это подтвердили фермеры, которые использовали нашу новую смазку в слепых полевых испытаниях. Наша смазка отлично справляется с влажными условиями, потому что гидрофобные частицы отталкивают воду с поверхности семян и остаются скользкими. Кроме того, водяной пар из воздуха может просачиваться через щели между гидрофобными частицами на поверхности волокон и поглощаться целлюлозой, что приводит к двум результатам. Во-первых, уменьшается количество влаги, необходимой для склеивания семян. Во-вторых, по мере того, как целлюлоза поглощает водяной пар, волокна разбухают и становятся мягче. Затем, когда семена и волокна перемешиваются в сельскохозяйственной технике, вода выдавливается обратно из волокон, где она вступает в контакт с гидрофобными частицами, делая их еще более скользкими», — объясняет Туо.
Удаяшанкара Джамагни добавил, что у предложенного материала есть еще преимущества. Это связано с тем, что большинство семян, используемых в сельском хозяйстве, покрыты тонким слоем питательных веществ и пестицидов. При посадке с использованием обычных смазочных материалов часть этого покрытия соскребается. Частицы соскребаемой оболочки семян попадают в выхлопную систему посевной техники, создавая токсичное облако, представляющее опасность для опылителей, птиц и фермеров.
«Мы с удивлением обнаружили, что наша лубрикант на основе целлюлозы радикально снижает эту проблему — с семян снимается лишь малая часть покрытия. Это, собственно, и есть тема нашей следующей статьи», — говорит Удаяшанкара Джамагни.
«Кроме того, мы обнаружили, что можем отфильтровывать целлюлозные волокна из смазочного материала вакуумной системы, используемой в сельскохозяйственной технике для посадки семян. Это означает, что в окружающую среду попадает очень мало смазочного материала, и его можно использовать повторно или утилизировать надлежащим образом. Об этом также будет рассказано в следующей статье», — говорит Туо.
В процессе разработки нового смазочного материала исследовательская группа также разработала инструмент, который будет полезен для разработки новых смазочных материалов в будущем. В частности, Туо и Удаяшанкара Джамагни сотрудничали с экспертами по теории графов из Мичиганского университета и Университета Южной Калифорнии.
«По сути, нам удалось определить пространство параметров, которое позволяет построить аналитическую модель, используя графовые математические методы для упрощения этой невероятно сложной системы», — говорит Туо. «И эта модель может помочь исследователям быстро определить перспективные кандидаты для применения в качестве твёрдых смазочных материалов», заключил он.
Источник: North Carolina State University. Автор: Мэтт Шипман. Автор фото: Дхануш Удаяшанкара Джамагни, Университет штата Северная Каролина.