智能秋收｜农药也能“收放自如”？还得靠它！

出品：科普中国

作者：滕国鹏（中国科学院合肥物质科学研究院）

监制：中国科普博览

智能秋收小助手名片

小助手：酸/碱双重响应型智能农药输送体系

主要功能：科学输送农药，有效防治病虫草害

主要优势：“环境友好型”输送体系、保证农药实际利用率、应用范围广

能量值：5颗星

证件照：

酸/碱双重响应型智能农药输送体系

（图片来源：参考文献[1]）

智能秋收小助手自我介绍

我是酸/碱双重响应型智能农药输送体系，是帮助人类治理农作物病虫草害的小助手。

杂草和病虫害问题一直是农作物种植的“老大难”，为了进行有效治理，中国科学院合肥研究院智能所的吴正岩和张嘉团队将我研制了出来。

对环境友好且农药利用率高

虽然我的名字看起来有点长，但是我的功能其实并不复杂，主要是输送农药。

我输送的主要是能够对光、电、磁和pH等外在刺激进行响应的农药，这种农药是一些结合病虫草害的生理特性和作物的互作关系、农药的分子特点和作用机制、应用环境条件等因素开发的智能农药，这类农药能够在生物或非生物刺激下于特定位置释放活性物质，实现农药分子在剂量、时间和空间上的精准可控释放，从而提高农药的有效利用率。

(A)玉米螟(n=10)在中性、酸性和碱性条件下用不同材料处理24小时后特定时间点的照片。(B)相应的死亡率。

（图片来源：参考文献[1]）

除了智能农药以外，我也能输送农药制剂，可湿性粉剂和乳油是两种最常见的农药制剂。

可湿性粉剂是由农药原药、惰性填料和其他助剂制备而成的固体农药制剂。可湿性粉剂中的填料容易漂移并流失到环境中，而且负载的有效成分容易受外界紫外光的降解。

乳油是将原药按一定比例溶解在溶剂中，再加入乳化剂和其他助剂制备而成的液体制剂。田间使用时一般用大量水稀释成稳定的乳状液后进行喷洒。然而，由于田间施药时的喷雾、漂移、滚落造成农药在作物叶面上的损失和分解率一般高达70%，这就导致生物靶标吸收的实际利用率不足0.1%。

此外，制剂喷洒后由于水解、热解或者紫外线降解等作用，导致农药中的有效成分浓度迅速下降，因此必须重复施药才能达到理想的防治效果，而重复施药又会造成一系列的生态环境问题。

作为智能农药输送体系，我的外围包裹着一层海藻酸钙凝胶。藻酸盐的官能团与叶片表面由高级脂肪化合物组成的蜡层可以通过氢键相连，从而显著增强我的叶面附着性能，减少施药过程中的漂移和淋溶损失，从而降低对环境的危害。

样品与玉米叶片的接触角：(A)吐温溶液，(B)CPF的吐温悬浮液，(C)HCEC的吐温悬浮液，(D)HCECA的吐温悬浮液。(E)在模拟降雨条件下，HCECA相对于CPF在玉米叶片上的抗漂洗试验。(F)HCECA与玉米叶之间相互作用的图解。(G)在一周内进行HCECA相对于CPF的温度稳定性试验。(H)在紫外光(波长254 nm，输出功率36W，距离20 cm)照射下，一天内进行HCECA相对于CPF和HCEC的紫外线稳定性试验。

（图片来源：参考文献[1]）

在喷施后海藻酸钙水凝胶可保存大量的水，水具有很高的比热容，可将热量及时地传递散发出去，从而避免农药分子热分解，进而达到耐高温的目的。

除此之外，为了进一步提高我在输送农药时的各类性能，研发团队还采用了埃洛石纳米管，并将埃洛石加入到农药体系中进行剂型优化。

埃洛石纳米管作为一种具有独特结构和表面性质的粘土纳米材料，因其高孔隙率和大的比表面积可以高效率地负载农药分子。由于其外表面的负电性，埃洛石在水中或极性聚合物中具有很好的分散性，这使得埃洛石载药体系具有很好的稳定性。

同时，根据与高岭土、蒙脱土和膨润土等同类粘土的毒性比较，埃洛石在纳米粘土中具有优异的环境相容性和生物安全性。不仅如此，埃洛石对紫外光具有强吸收能力，能够提高我在农药输送时的抗紫外能力。加之海藻酸钙的包覆所起到的光屏蔽作用，进一步提高了我的抗紫外光解性能。

预防虫害，按需给药

怎么样？是不是觉得我还有两下子？我的研制与投入使用为农药载体材料合成及其应用提供了有效借鉴，在农药的高效利用和保护农业生态环境方面也具有较好的应用前景。

当前，玉米螟破坏玉米、高粱和谷子的茎组织的情况较为严重，影响营养物质运输的问题，这对玉米、高粱和谷子会造成毁灭性的危害。已有不少农业种植工作借助我来负载疏水性农药，从而毒死蜱并对玉米螟进行防治。

将智能农药喷施于农作物之后，我会将农药分子稳定地储存起来。当虫害来临之际，根据周围环境变为酸性或碱性的不同情况，我又会发生膨胀或溶胀，在该过程中释放出农药快速地杀灭害虫。

杀虫后由于环境恢复正常，我则会发生收缩并将剩余的农药储存起来以待后续使用，实现预防为主，按需给药的策略。

小助手寄语

除了在农业领域，我在经过二次开发后，也可以应用于其他领域。例如，在医学领域可以用于精确控制药物的释放；在环境领域可以用于污染物的控制和治理；在材料科学领域可以应用于微纳米尺度的传感器等。

这些应用领域都需要精确控制物质的释放和响应，我作为一种智能输送体系具备这方面的优势，可以为这些领域带来新的突破和发展。

参考文献：

[1]Teng G, Chen C, Jing N, et al. Halloysite nanotubes-based composite material with acid/alkali dual pH response and foliar adhesion for smart delivery of hydrophobic pesticide[J]. Chemical Engineering Journal, 2023,451:139052.