Μια νέα γενιά παροχής θρεπτικών συστατικών:γραφένιο για μια νέα γενιά λιπασμάτων
Τα λιπάσματα αποτελούν βασικό συστατικό των παραγωγικών γεωργικών συστημάτων, ωστόσο η αποτελεσματικότητα της χρήσης λιπασμάτων είναι χαμηλή, με απώλειες στην ατμόσφαιρα και στα νερά να προκαλούν περιβαλλοντικές ανησυχίες. Επιπλέον, τα θρεπτικά συστατικά του λιπάσματος ενδέχεται να υποστούν αντιδράσεις με τα συστατικά του εδάφους, καθιστώντας τα πολύ λιγότερο διαθέσιμα στα φυτά, έτσι ώστε τα θρεπτικά συστατικά να συσσωρεύονται στο έδαφος, οδηγώντας σε αναποτελεσματικότητα στη χρήση καθώς και σε ανησυχίες σχετικά με τη διάβρωση που οδηγεί το έδαφος στα επιφανειακά ύδατα ή στον ωκεανό.
Η βελτίωση της αποδοτικότητας χρήσης λιπασμάτων είναι, επομένως, ένας παγκόσμιος στόχος και απαιτούνται νέες μηχανικές προσεγγίσεις για τον σχεδιασμό πιο αποτελεσματικής παροχής θρεπτικών ουσιών στις καλλιέργειες και την ελαχιστοποίηση των επιβλαβών απωλειών για το περιβάλλον. Οι πρόσφατες στρατηγικές για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος βασίζονται στον σχεδιασμό λιπασμάτων βραδείας αποδέσμευσης με χρήση πορωδών υλικών ή πολυμερούς επικάλυψης συμβατικών λιπασμάτων, τα οποία έχουν σημειώσει κάποια επιτυχία αλλά περιορίζονται σημαντικά από το κόστος. Τα νανοϋλικά με βάση το γραφένιο μπορεί να προσφέρουν μια πιθανή οδό για την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών λιπασμάτων.
Το γραφένιο είναι ένα στρώμα πάχους ενός ατόμου, δύο διαστάσεων (2D) από sp2-υβριδισμένο άνθρακα διατεταγμένο σε εξαμελείς δακτυλίους. Από την ανακάλυψή του το 2004, το γραφένιο θεωρείται ως ένα ταχέως ανερχόμενο «θαυματουργό» υλικό και έχει προκαλέσει τεράστιο ενδιαφέρον για την επιστήμη των υλικών και τις βιολογικές εφαρμογές λόγω των εξαιρετικών φυσικοχημικών και δομικών ιδιοτήτων του, συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά υψηλής επιφάνειας, της ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας , υψηλή ελαστικότητα και μηχανική αντοχή και γρήγορη ετερογενή μεταφορά ηλεκτρονίων.
Τα πλεονεκτήματα των υλικών με βάση το γραφένιο για εφαρμογές λιπασμάτων είναι η εξαιρετικά υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο, η υψηλή ικανότητα φόρτωσης, το μικρό μέγεθος που τα καθιστά δυνητικά ευκίνητα μέσω των πόρων του εδάφους και η προσαρμοσμένη λειτουργικότητα της επιφάνειας ώστε να έχουν διάφορες επιφανειακές ιδιότητες (δυναμικό ζήτα, υδροφιλικότητα, και τα λοιπά.). Ως εκ τούτου, αυτά τα υλικά προσφέρουν έναν εναλλακτικό τρόπο για την παροχή θρεπτικών στοιχείων στα φυτά και τη βελτίωση της γονιμότητας του εδάφους. Το γραφένιο αναγνωρίζεται ως βιοσυμβατό υλικό και ως εκ τούτου έχει προσελκύσει σημαντική βιοϊατρική έρευνα για την ανάπτυξη νέων βιοαισθητήρων, νανοφορέων για τη χορήγηση φαρμάκων και γονιδίων, τη μηχανική ιστών, την κυτταρική απεικόνιση και τη θεραπεία του καρκίνου. Η επιφάνεια του γραφενίου (>2500 m g) είναι ανώτερη από οποιοδήποτε άλλο υλικό, καθιστώντας αυτό το υλικό πολύ ελκυστικό για εφαρμογές χορήγησης φαρμάκων και ενδεχομένως για εφαρμογές στη γεωργία.
Ένα ερευνητικό πρόγραμμα συνεργασίας στο Πανεπιστήμιο της Αδελαΐδας μεταξύ του Fertilizer Technology Research Center και του ARC Hub for Graphene-Enabled Industry Transformation έχει αναπτύξει νέα μακροθρεπτικά λιπάσματα και μικροθρεπτικά λιπάσματα με βάση υλικά με βάση το γραφένιο (Kabiri et al. 2017, 2018; Andelkovicet . al. 2018). Για τα κατιονικά μικροθρεπτικά συστατικά, κατασκευάζεται οξείδιο του γραφενίου που έχει υψηλό καθαρό αρνητικό επιφανειακό φορτίο, το οποίο μπορεί να διατηρήσει μεγάλες ποσότητες μικροθρεπτικών συστατικών όπως ο χαλκός (Cu) και ο ψευδάργυρος (Zn). Για τον φώσφορο, ο οποίος υπάρχει ως το αρνητικά φορτισμένο φωσφορικό ανιόν, η επιφάνεια του οξειδίου του γραφενίου ενεργοποιείται πρώτα με σίδηρο (Fe), ο οποίος και πάλι παρέχει μεγάλη επιφάνεια για τη δέσμευση φωσφορικών. Η απελευθέρωση αυτών των θρεπτικών ουσιών από το υλικό είναι πιο αργή από ό,τι για τα συμβατικά διαλυτά λιπάσματα και ανταποκρίνεται καλύτερα στη ζήτηση των φυτών, όπως αποδεικνύεται από την καλύτερη πρόσληψη θρεπτικών συστατικών από φυτά που γονιμοποιούνται με υλικά με βάση το γραφένιο.
Ένα περαιτέρω ενδιαφέρον εύρημα ήταν η αύξηση της φυσικής ποιότητας των κοκκωδών λιπασμάτων με τη συμπερίληψη υλικών με βάση το γραφένιο - οι κόκκοι λιπασμάτων υπόκεινται σε υποβάθμιση και τριβή κατά την κατασκευή, τη μεταφορά, τη διανομή και την εφαρμογή και τη συμπερίληψη μικρών προσθηκών γραφενίου ή γραφενίου το οξείδιο βελτίωσε σημαντικά την αντοχή τους στην αποικοδόμηση (Kabiri et al. 2018).
Η ερευνητική ομάδα έχει κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την τεχνολογία για χρήση λιπασμάτων και επί του παρόντος διαπραγματεύεται μια άδεια με έναν σημαντικό κατασκευαστή λιπασμάτων. Περαιτέρω έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη από την ομάδα για να διερευνήσει περαιτέρω τη χρήση υλικών με βάση το γραφένιο στη βιομηχανία λιπασμάτων σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένων των φορέων για την παροχή μικροθρεπτικών συστατικών, μια επίστρωση συμβατικών λιπασμάτων για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και την απελευθέρωσή τους, για τη βελτίωση της προετοιμασίας και αποκατάστασης του εδάφους. χρησιμοποιήστε το γραφένιο ως αντιμικροβιακό παράγοντα και ούτω καθεξής.
Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Md J. Nine, Shervin Kabiri, Tran Thanh Tung, Diana N. H. Tran και Dusan Losic από το Πανεπιστήμιο της Αδελαΐδας.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται σε αρκετά πρόσφατα δημοσιευμένα άρθρα από την ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Αδελαΐδας που αναφέρονται παρακάτω.
Πόροι:
- Kabiri, S.; Degryse, F.; Tran, D. Ν. Η.; da Silva, R. C.; McLaughlin, Μ. J.; Losic, D., Graphene oxide:Ένας νέος φορέας για αργή απελευθέρωση φυτικών μικροθρεπτικών συστατικών. ACS Applied Materials and Interfaces 2017,9, (49), 43325-43335.
- Andelkovic, I. B.; Kabiri, S.; Ταβακκολή, Ε.; Kirby, J. K.; McLaughlin, Μ. J.; Losic, D., Σύνθετο οξείδιο γραφενίου-Fe(III) που περιέχει φωσφορικά άλατα – Ένα νέο λίπασμα βραδείας αποδέσμευσης για βελτιωμένη διαχείριση της γεωργίας. Journal of Cleaner Production 2018, 185, 97-104.
- Kabiri, S.; Baird, R.; Tran, D. Ν. Η.; Andelkovic, I.; McLaughlin, Μ. J.; Losic, D., Η συνκοκκοποίηση χαμηλών ποσοστών γραφενίου και οξειδίου του γραφενίου με μακροθρεπτικά λιπάσματα βελτιώνει σημαντικά τις φυσικές τους ιδιότητες. ACS Sustainable Chemistry and Engineering 2018, 6, (1), 1299-1309.
- Md J.Nine, S. Kabiri. T. T. Tung, D. N.H.Tran, D. Losic, Electrostatic powder coatings of pristine graphene:A new προσέγγιση for coating of granular and fibril substrates, Applied Surface Science, τόμος 441, 31 Μαΐου 2018, Σελίδες 187-13
