Измерение краевых углов на листьях при различной относительной влажности воздуха

По данным Федерального ведомства по безопасности продуктов питания и потребления (BLV), в Германии в настоящее время зарегистрировано более 1000 официальных средств защиты растений и соединений для борьбы с вредителями, микроорганизмами и сорняками. Эффективность пестицидов и их применение имеют большое значение, так как избыток пестицидов загрязняет окружающую среду и угрожает здоровью людей. При применении пестицидов важную роль играет смачиваемость биологических поверхностных структур, например, листьев растений, которая влияет на количество капель, осаждающихся на листьях растений. Кроме того, влажность воздуха оказывает существенное влияние на смачиваемость поверхности растений^[1]. Для разработки и оптимизации средств защиты растений необходимо обеспечить хорошую смачиваемость и адгезию при различной влажности воздуха. Влияние относительной влажности воздуха на смачиваемость поверхности листьев растений можно изучить с помощью комбинации нашего генератора влажности HGC и прибора для измерения оптического угла контакта OCA. В данной статье на примере листьев мискантуса представлена эта методика.

Оборудование и метод измерения
Генераторы влажности серии HGC (рис. 2) позволяют надежно контролировать относительную влажность воздуха в диапазоне от 5 до 90 % в измерительных камерах DataPhysics Instruments или в сочетании с любым другим устройством, требующим точного контроля влажности в измерительной камере. Благодаря встроенному насосу и резервуару для осушителя, HGC может самостоятельно генерировать сухой воздушный поток, используя окружающий воздух. Вместе с резервуаром и подогретой водой можно создать желаемую влажность. С помощью дополнительного датчика влажности и температуры система может измерять температуру непосредственно в месте установки и рассчитывать точку росы внутри камеры.

Генераторы влажности серии HGC работают как самостоятельные устройства, а также сочетаются с различными лабораторными приборами и камерами других производителей, например, с жидкостными камерами и камерами температурного контроля Пельтье, что позволяет проводить исследования относительной влажности при различных температурах. Кроме того, серия HGC предназначена для совместной работы со всеми оптическими системами измерения угла контакта и контурного анализа серии OCA от DataPhysics Instruments. Таким образом, эта система позволяет изучать поведение растений при различной относительной влажности воздуха, например, листьев мискантуса, о которых идет речь в данной статье.

Эксперимент

В данной статье были определены краевые углы воды с листьями мискантуса при различной относительной влажности с использованием комбинации HGC и OCA. Во время измерений температура постоянно поддерживалась на уровне +25 °C с помощью термостата Пельтье TPC 160 (диапазон температур: от -30 до +160 °C) (рис. 3). Относительная влажность воздуха устанавливалась на 20%, 50% и 90% с помощью HGC. Капли воды дозировали объемом 2 мкл на верхнюю и нижнюю стороны листа. Краевые углы анализировались автоматически с помощью программного обеспечения SCA. Для обеспечения точности и воспроизводимости результатов измерения проводились три раза при каждой влажности.

Результаты и обсуждение

Рис. 4 и Рис. 5 показывают, что относительная влажность воздуха оказывает значительное влияние на смачиваемость как верхней, так и нижней стороны листьев мискантуса. Значения краевых углов на верхней стороне все ниже 80° (рис. 5) и увеличиваются с 58,2° до 79,6° при увеличении относительной влажности. Однако, при увеличении относительной влажности до 90% угол контакта уменьшился до 64,3°.

На нижней стороне все контактные углы были выше 90°. Кроме того, было замечено, что краевые углы увеличиваются с уменьшением влажности, достигая максимума 125,3° при относительной влажности 20% (рис. 6).
Значительная разница между верхней и нижней стороной листьев объясняется анатомией листа. Верхняя сторона листьев естественным образом покрыта восковым слоем, называемым кутикулой, который влияет на смачиваемость. Хотя нижняя сторона листьев также покрыта восковым слоем, на ней присутствует микроструктура, поэтому площадь контакта меньше, чем на верхней стороне. Таким образом, смачиваемость нижней стороны листьев более гидрофобная.

Кроме того, чем ниже относительная влажность воздуха, тем меньше влияние молекул воды в окружающем воздухе на смачиваемость листьев, которые могут предварительно смачивать и изменять свойства поверхности. Поэтому с уменьшением относительной влажности воздуха контактные углы на нижней стороне листьев увеличивались.

Выводы

Прибор для измерения оптического угла контакта OCA и генератор влажности HGC от DataPhysics Instruments обеспечивают простой и надежный способ исследования влияния влажности на смачиваемость поверхности растений, таких как листья мискантуса. Этот метод может помочь в разработке и оптимизации распыляемых жидких средств защиты растений.

Список литературы
[1] Aston, S.; Street-Perrott, A., Doerr, S. (2014): Factors influencing biochar hydrophobicity and the influence of biochar content on the hydrological and erosional response of a silt loam under simulated rainfall. Geophysical Research 16, EGU2014-12472-3.