El fertilizante de urea se utiliza ampliamente como fuente de nitrógeno para aplicaciones agrícolas. Sin embargo, la urea puede disolverse fácilmente en agua y exhibe una alta volatilización en áreas tropicales, lo que provoca importantes problemas de contaminación del agua. Los investigadores han desarrollado diversas estrategias destinadas a regular la cantidad de urea liberada, como la aplicación de un recubrimiento de cera sobre la urea en estado sólido. Sin embargo, esta estrategia conduce a un fenómeno de liberación “ráfaga” seguido de una liberación continua por difusión no controlada. Los científicos han buscado resolver este problema a partir de la naturaleza. La cera vegetal de las hojas de loto posee una microestructura compleja (20-50 µm) y una capa de cera monocristalina hidrofóbica (0,5-5 µm) que proporciona a las hojas de loto una propiedad superhidrofóbica llamada “efecto loto” (ángulo de contacto >150°, ángulo de deslizamiento <5°). Además, algunas plantas y animales en la naturaleza tienen una capacidad de autocuración facilitada mediante un proceso de interdifusión molecular que ya se aplicó con éxito a los materiales termoplásticos. Inspirándose en el efecto loto y el comportamiento de autocuración en la naturaleza, Charoenchai y otros han desarrollado una estructura novedosa que posee superhidrofobicidad y propiedades de autocuración para lograr una liberación lenta del fertilizante de urea.

Imagen 1: Esquema para la preparación de gránulos de urea recubiertos (U^SH, U^SH-MS y US^SH-MNS)

En este trabajo, los autores aplicaron dos capas, una capa autocurativa y una capa superhidrofóbica, sobre el gránulo de urea para controlar eficazmente la liberación lenta de urea (imagen 1). Para la primera capa autocurativa, se fabricó una combinación de dos materiales curativos de cera natural (cera de palma (PW) y cera de carnauba (CW)) mediante un proceso de recubrimiento termofusible en tambor. Para la segunda capa superhidrofóbica se formaron microestructuras a base de la mezcla de cera de abejas (BW) y cera de carnauba (CW); mientras que las micronanoestructuras se crearon mezclando la cera (mezcla BW/CW) con partículas a base de negro de carbón. Seleccionaron aquí partículas de negro de carbón por tres razones: altamente hidrofóbicas, uniformes (~100 nm) y capaces de absorber energía térmica del entorno debido al color negro. Propusieron que el mecanismo de liberación para este novedoso sistema constara de dos pasos: un fenómeno de ráfaga inhibida debido a la superhidrofobicidad de la superficie del recubrimiento y un comportamiento de liberación sostenida y bien controlada basado en un proceso de autocuración.

Para investigar el mecanismo de autocuración, se creó una grieta en la superficie de la cera solidificada. Luego, los investigadores simularon el comportamiento intrínseco de autocuración calentando la muestra a más de 45°C, lo que corresponde a una temperatura ambiente alta durante el día. Se utilizó una mezcla de CW (Tm=86°C) y PV (Tm=42°C) para ajustar la temperatura de trabajo a fin de activar la autocuración. Proponen un mecanismo de autocuración de acuerdo con la imagen 2: una vez que se han formado las grietas, la cera de palma se difundiría en ellas, mientras que la cera de carnauba permanecería en forma sólida a unos 45°C, lo que conduciría a la autocuración.

Además, evaluaron la hidrofobicidad de las micropartículas (MP:NP=10:0), nanopartículas (MP:NP=0:10) y micronanopartículas (MP:NP=3:7, 6:8 y 7:3). Los ángulos de contacto estáticos y los ángulos de deslizamiento se registraron mediante un sistema óptico de análisis de contornos OCA 40 micro (DataPhysics Instruments GmbH) (imagen 3). Para las micropartículas (MP:NP=10:0), se estudiaron los efectos de la relación BW/CW, y dio como resultado que la mezcla (BW:CW=5:5) tiene el ángulo de contacto más alto (140,87°, mientras que el ángulo de contacto de las ceras primarias fue de 113,04°). Cuando se mezclaron BW y CW, las partículas de cera submicrónicas densamente formadas aumentaron la rugosidad de la superficie y, por lo tanto, aumentaron la hidrofobicidad. Sin embargo, aumentar aún más la cantidad de BW (como BW: CW=7:3) reduciría el ángulo de contacto (132,2°), porque las partículas de cera submicrónicas podrían colapsar en ese caso y la microestructura desaparecería, lo que conduciría a una hidrofobicidad reducida. En segundo lugar, para las nanopartículas (MP:NP=0:10), el ángulo de contacto era similar al de las micropartículas, pero el ángulo de deslizamiento era mucho menor porque las nanopartículas conducían a una estructura superficial con más bolsas de aire que ayudaban a que las gotas de agua se deslizaran más fácilmente.

Imagen 3: Ángulos de contacto y ángulos de deslizamiento para gotas de agua en micronanoestructura (MP:NP=3:7, 6:8 y 7:3), microestructura (MP:NP=10:0) y nanoestructura (MP:NP=0) :10)

En tercer lugar, para las micronanopartículas (MP:NP=3:7, 6:8 y 7:3), la adición de partículas de negro de carbón aumentó los ángulos de contacto (~145°) y disminuyó los ángulos de deslizamiento (<20°, mientras que el de MP:NP=10:0 fue ~38°). Específicamente, la mezcla (MP:NP=3:7) tuvo el mayor ángulo de contacto y el menor ángulo de deslizamiento. Con cantidades cada vez mayores de micropartículas, los ángulos de contacto eran casi constantes, pero los ángulos de deslizamiento aumentaron ligeramente porque se formaban menos bolsas de aire.

Además, los autores estudiaron el comportamiento de liberación de tres materiales de urea recubiertos diferentes (U^SH, U^SH-MS y U^SH-MNS). La imagen 4 muestra que en comparación con la urea no recubierta (100 % liberada en el primer día), las muestras recubiertas proporcionan un período de liberación más largo. Las micronanopartículas de urea (U^SH-MNS) exhibieron el período de liberación más largo debido al efecto de micronanoestructura con su mecanismo de atrapamiento de aire que previene la penetración de agua y desacelera la liberación. También estudiaron la capacidad de diferentes partículas para absorber energía térmica del medio ambiente y demostraron que el negro de carbón que contiene micronanopartículas (U^SH-MNS) capturó el calor de la luz solar mejor que el grupo sin recubrimiento (U^SH-MS). Los resultados mostraron que el tiempo de liberación de U^SH-MNS con calor fue el doble de largo que el de U^SH-MNS sin calor, lo que demuestra que la liberación lenta del fertilizante de urea podría controlarse bien a través del mecanismo de autocuración.

Imagen 4: Perfiles liberadores de urea recubierta con una capa autocurativa (U^SH), urea recubierta con una capa y microestructura autocurativa (U^SH-MS), y urea recubierta con una capa y micronanoestructura autocurativa (U^SH-MNS).

En general, los autores introdujeron un diseño bioinspirado para fertilizantes de urea de liberación lenta basado en el efecto loto y sus propiedades de autocuración. En particular, el novedoso sistema está fabricado con materiales ecológicos y muestra un buen comportamiento de liberación del fertilizante de urea. Este sistema de liberación controlada es muy prometedor para una amplia gama de sustratos altamente solubles en agua, como aplicaciones de liberación de fármacos y aplicaciones en agricultura.

En esta investigación se utilizó un sistema óptico de análisis de contornos OCA 40micro (DataPhysics Instruments GmbH, Alemania).

Para obtener más información, consulte el siguiente artículo:

Bio-inspired Surface Structure for Slow-release of Urea Fertilizer; Methus Charoenchai, Panida Prompinit, Wiyong Kangwansupamonkon, Lapporn Vayachuta; J. Bionic. Eng., 2020, 17, 335- 344; DOI: 10.1007/s42235-020-0027-2

Por Dataphysics Instruments GmbH