Капли воды могут скользить по поверхности листа или отскакивать от неё, поскольку она покрыта восковидным гидрофобным (водоотталкивающим) слоем. Однако это создаёт трудности для фермеров при распылении пестицидов, поскольку капли могут отскакивать от растений, не прилипая к ним, и загрязнять почву и воду.
«Около 50% пестицидов тратится впустую таким образом», — говорит Рутвик Латия, бывший аспирант Центра нанонауки и инженерии (CeNSE) при Институте нанотехнологий имени Макса Планка, а в настоящее время — постдок в Институте исследований полимеров Общества Макса Планка.
Латия входит в команду под руководством Просенджита Сена, доцента CeNSE, которая разработала оригинальный способ решения этой проблемы. Новый подход использует покрытие капель гидрофобными частицами (жидкими шариками, Liquid Marbles, LM)) и является более безопасной альтернативой поверхностно-активным веществам, полимерам и маслам, которые могут быть вредны для окружающей среды, для повышения смачиваемости. Исследование опубликовано в журнале Journal of Colloid and Interface Science.
LM представляют собой капли, защищённые слоем гидрофобных частиц, и первоначально использовались в качестве миниатюрных сосудов для проведения некоторых химических и биохимических реакций. Гидрофобное покрытие защищает крошечный объём жидкости внутри от внешних поверхностей и воздуха, предотвращая загрязнение.
Однако команда IISc осознала потенциал LM для осаждения капель благодаря предыдущему проекту, в котором капли ударялись о супергидрофобные поверхности. Они заметили, что LM не отскакивали так же сильно, как чистые капли. Это навело их на мысль, что эти LM можно использовать для распыления или осаждения капель.
Для тестирования исследователи разработали слой необходимых гидрофобных частиц и позволили каплям воды свободно катиться по ним. Для создания гидрофобной поверхности команда сначала нанесла покрытие из тефлона и PDMS (полидиметилсилоксана) — соединений, известных своей гидрофобностью и химической стойкостью, — на стеклянную и кремниевую подложку.
Однако поверхности растений также обладают гибкостью. Чтобы имитировать это явление, команда изготовила консоли из нержавеющей стали разной длины. Затем на поверхность было нанесено тефлоновое покрытие, придающее ей гидрофобность.
Ещё одной проблемой стал выбор подходящих гидрофобных частиц для LM. «Те, что обычно используются в лабораториях, имеют покрытие из гидрофобных стеклянных шариков и тефлона. Но это очень вредно для растений», — говорит Латия.
Поэтому команда исследовала альтернативные биоразлагаемые органические частицы, такие как ликоподий и зеин. Зеин — это белок, содержащийся в кукурузе, известный своей нерастворимостью в воде и способностью образовывать плёнку. Было обнаружено, что люминесцентные мембраны, изготовленные из этих материалов, более эффективны, чем мембраны на основе стеклянных шариков. Команда также протестировала осаждение этих люминесцентных мембран на листьях роз.
Латия объясняет, что причина, по которой LM так эффективны при осаждении, заключается в том, что они используют совершенно иной режим осаждения по сравнению с каплями воды.
При столкновении LM с гидрофобной поверхностью шарик растекается, увеличивается в размерах и отталкивается от неё. Это отталкивание приводит к столкновению гидрофобных частиц друг с другом, что приводит к значительным потерям энергии из-за воздействия потока жидкости на застрявшие частицы. В результате капля внутри не может восстановить кинетическую энергию для обратного отскока, прилипая к поверхности и ускоряя осаждение капель.
Помимо применения пестицидов, группа также рассматривает возможность их применения в печати на гидрофобных материалах, таких как некоторые виды твердого пластика.
«После завершения экспериментальной проверки концепции нам предстоит решить две основные задачи. Во-первых, нам нужно сделать метод экономичным. Во-вторых, масштабировать процесс», отмечает исследователь.
Источники: Phys.org, Journal of Colloid and Interface Science (2026), DOI: 10.1016/j.jcis.2025.139144
На фото - капля, отскакивающая от гидрофобной поверхности. Автор фото: Рутвик Латиа.
