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海南大学李嘉诚教授团队 CEJ:一种受多种仿生粘附策略启发的海藻酸基凝胶 - 可增强农药的叶面亲和性和耐雨水冲刷性
2023-11-29  来源:高分子科技

  农药是实现农作物高产稳产的重要保障。然而,由于植物叶片表面存在疏水蜡质化合物和微/纳米级乳突结构,导致了农药液滴在靶标表面发生滚落、聚并及反弹现象,从而阻碍有效润湿。此外,雨水冲刷更是影响农药叶面沉积及生物利用率的主要自然因素之一,约有90%的有效成分在雨水的冲洗作用下极易发生流失。而这一现象涉及三个不同尺度方面的问题:1)农药液滴与植物叶片之间缺乏分子间的界面桥接作用;2)雨水容易进入叶片表面微纳结构之间的空隙中,从而降低了农药液滴与靶标表面的有效接触面积;3)在雨水环境中,农药载体/添加剂容易发生体系微结构的内聚性破坏,进而影响了农药的包封和释放效率。而利用高分子海藻多糖的本征特性和多级组装特点将其作为农药喷洒助剂,促使农药液滴与作物叶片之间相互耦合作用具有显著潜力,有望提高农药在实际应用中的效果,确保其更有效地发挥作用,进而为农业生产提供更可靠的支持。



  海南大学化学化工学院李嘉诚教授团队受多种仿生粘附策略启发,通过顺序喷洒法喷洒聚多巴胺共轭海藻酸衍生物和Fe3+离子溶液至作物靶标表面构建纳米凝胶。该凝胶不仅可以实现了农药与叶面之间的分子级的界面桥连,而且还能诱导与粗糙的微/纳米结构物理互锁,增强了农药的叶面亲和性和耐雨水冲刷性。相关成果2024年11月24日“Multi-bioinspired alginate-based gel coatings formed by dynamic metal–ligand assembly for enhancing foliar affinity and rain-fastness of pesticides”为题在线发表于Chemical Engineering Journal。 



  团队研究发现,海藻酸钠作为一种天然聚合物,在叶片表面具有优异的成膜特性,可增加与靶标的接触面积。柔性多糖链可有效适应与不平整基质形成分子键合所需的耦合变形。此外,海藻酸衍生物还具有与金属离子螯合的本征功能,可调节交联网络的微观结构。聚多巴胺共轭海藻酸盐是通过酰胺法制得。其中,聚多巴胺作为 "钉子 "将多糖衍生物紧密附着在叶片表面,在诱导强界面粘附力方面发挥了关键作用。Fe3+离子可通过与海藻酸盐的羧基和多巴胺的邻苯二酚基团形成配位键来桥接高分子聚合物,从而组装形成致密的纳米级三维网络结构,推动与叶面微/纳米结构的相互耦合和物理互锁。同时,它还为凝胶的内部提供了强大的内聚力。并且由于羧基-Fe3+体系的本征动态特性,海藻酸基凝胶还实现了农药的光响应释放。 


图2. 海藻酸基凝胶在叶面的沉积 


图3. 凝胶在疏水蜡质层上的粘附机理
 

图4. 施用载药凝胶的盆栽实验

  海南大学化学化工学院热带岛屿资源先进材料重点实验室为该论文的唯一通讯单位,硕士研究生麦可扬为论文第一作者,李嘉诚教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、海南省科技计划项目以及海南大学协同创新中心研究项目等经费支持。


  原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723060886

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(责任编辑:xu)
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