As emulsões de pesticidas à base de óleo são amplamente utilizadas na agricultura, embora sejam um grande perigo ambiental e à saúde porque ricocheteiam nas superfícies das plantas devido à sua natureza hidrofóbica, resultando na poluição da água e do solo. Em um novo relatório, Maher Damak e uma equipe de cientistas em engenharia mecânica do MIT descreveram uma transição inesperada de saltar para grudar e saltar, com velocidade de impacto acelerada da gota. A equipe destacou a física subjacente do fenômeno e demonstrou o processo regulando um equilíbrio cuidadoso de três escalas de tempo:o tempo de contato das gotículas, o tempo de impregnação do óleo e a formação da crista de óleo. Eles então construíram um mapa de design para regular com precisão o salto de gotas e a cobertura de óleo. A pesquisa agora está publicada em Science Advances .
Usando a ciência dos materiais para práticas agrícolas ambientalmente otimizadas

Os sprays de emulsão são cruciais nas indústrias e os sprays agrícolas geralmente incluem emulsões de óleo em água contendo concentrados emulsificáveis ​​com um ingrediente ativo de pesticida na fase oleosa misturada com água. Neste caso, as gotículas de óleo estão geralmente na escala de mícrons, portanto, as emulsões podem ser atomizadas e pulverizadas nas plantas. No entanto, a falta de retenção de sprays agrícolas em plantas hidrofóbicas é uma grande limitação que pode causar poluição em larga escala. Os cientistas de materiais estudaram extensivamente os impactos de gotículas de líquidos puros em superfícies super-hidrofóbicas. Os pesquisadores usaram surfactantes para reduzir a tensão superficial e, assim, reduzir o salto de gotículas, no entanto, eles são menos eficazes. Neste trabalho, a equipe de pesquisa estudou o impacto de gotículas de emulsão em superfícies superhidrofóbicas.

O autor principal e pós-doutorado Maher Damak, afiliado ao MIT Varanasi Group do professor Kripa Varanasi, e também CEO e cofundador da Infinite Cooling, descreveu a motivação por trás de seu estudo, dizendo:"A pesquisa foi motivada pela fato de que há muitos resíduos de pesticidas devido às gotas que saltam das superfícies das plantas à medida que são pulverizadas. ... o método que desenvolvemos neste estudo usa emulsões de óleo para mitigar o problema, permitindo que as gotas grudem nas superfícies hidrofóbicas das plantas."

A equipe mostrou como as emulsões metaestáveis ​​contendo apenas um óleo transportador de pesticidas e água podem ser eficazes quando usadas com os parâmetros corretos de emulsão e pulverização. A introdução de sprays sem surfactantes na agricultura pode impedir a disseminação de produtos químicos tóxicos em larga escala no meio ambiente e reduzir os custos na agricultura.

Impactos de gotículas de emulsão

Os cientistas estudaram o comportamento dos impactos das gotículas de emulsão misturando o modelo de óleo hexadecano com água e usaram um sonicador de sonda para produzir uma emulsão de óleo em água para sprays agrícolas. Eles usaram o hexadecano como modelo e não incluíram surfactantes, para provar que as formulações sem surfactantes podem efetivamente garantir a retenção de gotículas. As emulsões sem surfactante foram metaestáveis ​​por mais de três horas – mais do que a duração típica de pulverizações agrícolas. Damak destacou a importância desse método:"Muitos pesticidas já são pulverizados como emulsões de óleo e este trabalho pode permitir que os produtores ajustem os parâmetros dessas emulsões para torná-las muito mais eficazes, sem adicionar outros produtos químicos". As emulsões podem, portanto, ser feitas na fazenda e pulverizadas enquanto ainda estão estáveis. Na configuração experimental, a equipe usou uma agulha para dispensar gotículas em uma superfície superhidrofóbica e variou a concentração de óleo na emulsão com o objetivo de reter as gotículas de água transportadoras, enquanto as moléculas do pesticida atingiam a superfície da planta. A equipe explicou o fenômeno por meio de um mecanismo de três fases.

Etapas experimentais:impregnação de óleo, formação de cristas, transição saltando-colando-saltando

Damak et ai. fotografou a superfície após o impacto de uma gota de emulsão de óleo em água, usando um microscópio óptico. Durante a segunda fase, eles notaram a formação de uma crista de óleo ao redor da gota de emulsão. À medida que a gota de emulsão recuava, a equipe notou uma superfície parcialmente preenchida com óleo. No final desta fase, eles observaram uma força de sucção exercida pela gota para evitar que ela saltasse. À medida que a energia de superfície convertida de volta em energia cinética, a gota de emulsão começou a acelerar verticalmente com uma típica "força equivalente de aceleração de salto". Os pesquisadores entenderam a origem da transição saltando-colando-saltando em relação aos números de Weber; um parâmetro que representa a razão de forças hidrodinâmicas disruptivas para a força de tensão superficial estabilizadora. “Descobrimos que o óleo emulsificado pode se depositar na superfície durante a escala de tempo do impacto e exercer uma força de sucção na gota, impedindo que ela salte da superfície”, disse Damak.

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Perspectivas

A equipe, assim, explorou os efeitos da viscosidade do óleo e formou um mapa de design para sprays de emulsão eficazes com uma faixa ideal de viscosidades e faixa de número de Weber ideal. Eles projetaram os sprays para atender aos regimes de número e viscosidade de Weber. Eles realizaram experimentos macroscópicos adicionais com os sprays e obtiveram vídeos de alta velocidade de sprays de água e emulsão impactando uma superfície super-hidrofóbica. Desta forma, Damak e colegas revelaram um mecanismo até então desconhecido para colar gotículas de emulsão em superfícies super-hidrofóbicas. A equipe explorou os mecanismos subjacentes da física para mostrar a eficiência do método durante a retenção de spray com o sistema modelo sem surfactante.