Hoe beïnvloeden nanodeeltjes de landbouw en welke rol spelen ze bij gecontroleerde meststofafgifte?

Nanodeeltjes, met name ijzernanodeeltjes zoals nano-gezero-valent ijzer (NZVI), kunnen bij lage concentraties een stimulerend effect hebben op de ontwikkeling en groei van planten, zoals pinda’s. Door opname, transport en accumulatie van deze nanodeeltjes in de plant worden belangrijke groeiprocessen bevorderd. IJzernanopartikels dringen gemakkelijk door plantweefsel heen en ondersteunen zo de plantengroei op een directe en effectieve manier. Tegelijkertijd tonen studies aan dat er ook toxische effecten kunnen optreden, vooral bij hogere concentraties van metalen nanodeeltjes. Dit leidt tot remming van kieming en wortelgroei, zoals is aangetoond voor zink (Zn) en zinkoxide (ZnO) nanodeeltjes, die de kiemkracht negatief beïnvloeden tijdens de incubatiefase van zaden. Deze dualiteit onderstreept de noodzaak voor verdere diepgaande onderzoeken om de veiligheid en effectiviteit van nanodeeltjes in landbouwtoepassingen, vooral op veldniveau, beter te begrijpen.

Meststoffen zijn van cruciaal belang voor de landbouwproductie en dragen bij aan 30 tot 50 procent van de opbrengst. Echter gaat meer dan de helft van de toegediende meststoffen verloren door inefficiënte opname door planten, wat leidt tot economische verliezen en milieuvervuiling. Nanotechnologie biedt hier een veelbelovende oplossing via de ontwikkeling van gecontroleerde afgifte meststoffen (CRF’s). Door meststoffen te combineren met nanomaterialen met een groot specifiek oppervlak en instelbare oppervlaktestructuren, kan de voedingsstofafgifte nauwkeurig gereguleerd worden.

De integratie van nanodeeltjes in biopolymeercoatings verbetert de waterafstotendheid en vermindert microporositeit, waardoor de meststoffen effectiever en langzamer hun nutriënten vrijgeven. Zo kan nanosilica bijvoorbeeld de oppervlaktestructuur van bio-gebaseerde polyurethaancoatings ruwer maken en microporiën blokkeren, wat resulteert in een superhydrofobe coating die de voedingsstoffen langzamer vrijgeeft. Magnetische Fe3O4 nanodeeltjes kunnen via een zelfassemblagemethode in biopolymeercoatings worden ingebed, wat niet alleen de levensduur van de gecontroleerde afgifte verlengt tot meer dan 100 dagen, maar ook de duurzaamheid van de coating verbetert.

Daarnaast kunnen twee-dimensionale nanomaterialen, zoals grafeen, direct worden toegepast als coating voor meststoffen. Door KNO3-pellets te omhullen met een dunne laag grafeenoxidefilm, die na warmtebehandeling een dikke grafeenschil vormt, wordt de snelle afgifte van voedingsstoffen voorkomen. Door dit materiaal te combineren met natuurlijke polymeren zoals chitine, ontstaan nanocomposieten met verbeterde eigenschappen die eenvoudig zijn te produceren en relatief goedkoop zijn. Dit opent de deur naar een milieuvriendelijke en efficiënte productie van CRF’s, die bijdragen aan duurzamere landbouwpraktijken.

Hoe nanodeeltjes de waterkwaliteit verbeteren: toepassingen van nanosensoren in wateronderzoek

Nanodeeltjes hebben de potentie om waterkwaliteitsmonitoring drastisch te verbeteren door de ontwikkeling van geavanceerde nanosensoren die uiterst gevoelig zijn voor chemische en biologische verontreinigingen. Het gebruik van verschillende soorten nanomaterialen in de ontwikkeling van sensoren heeft geleid tot innovaties die zelfs in staat zijn om lage concentraties van verontreinigende stoffen op te sporen.

Een van de belangrijkste ontdekkingen in deze technologie is het gebruik van metalen nanodeeltjes, zoals goud- en zilvernanodeeltjes, die vaak worden toegepast in sensoren vanwege hun uitstekende gevoeligheid en selectiviteit voor elektroactieve stoffen. Deze nanodeeltjes vertonen een fenomenaal vermogen om licht te absorberen in het zichtbare en nabij-UV-spectrum, een eigenschap die afwezig is in de bulkvormen van de metalen. Dit leidt tot het verschijnsel dat de oscillaties van elektronen in de geleidingsband van de nanodeeltjes worden versterkt, een effect dat bekend staat als plasmonresonantie.

Naast de bekende goud- en zilvernanodeeltjes zijn er ook andere materialen, zoals metaaloxiden (bijvoorbeeld titanium-, ijzer-, cerium- en zinkoxiden), die zeer nuttig blijken te zijn in de ontwikkeling van nanosensoren. Deze materialen zijn semiconductor nanodeeltjes die een breed scala aan elektronische, chemische en fysieke eigenschappen bezitten, die het mogelijk maken om zeer gevoelig te reageren op veranderingen in de chemische omgeving. Het gebruik van ijzeroxide nanodeeltjes, die vaak worden gedoteerd met liganden of antistoffen, heeft bijvoorbeeld aangetoond dat ze bijzonder effectief zijn in het monitoren van waterverontreiniging door bacteriën.

In de context van elektrochemische sensoren voor waterkwaliteitsmonitoring worden amperometrische sensoren veel gebruikt. Deze sensoren meten de elektrische stroomrespons bij een vastgestelde potentiaal om de concentratie van een analyte te bepalen. De prestaties van amperometrische sensoren hangen sterk af van de kwaliteit van de elektroden. Grafene nanomaterialen, bijvoorbeeld, kunnen op elektroden worden gedoteerd om de elektrokatalytische activiteit te verbeteren, wat leidt tot betere prestaties. De techniek die Zhang et al. (2014) ontwikkelden om grafeenfilms te produceren, maakt gebruik van grafeenoxide-suspensies die op een vast oppervlak worden aangebracht en vervolgens bij lage temperaturen worden verhit om grafeen te verkrijgen. Het resultaat is een uiterst dunne grafeenfilm die kan worden toegepast in elektrochemische sensoren, waarmee de prestaties van de elektroden aanzienlijk verbeteren.

In deze context spelen nanomaterialen dus een cruciale rol in de verbetering van de detectiecapaciteit van sensoren, wat leidt tot snellere en nauwkeurigere analyses van de waterkwaliteit. De toepassing van deze geavanceerde technologieën stelt onderzoekers en waterbeheerders in staat om in real-time informatie te verkrijgen over de aanwezigheid van verontreinigende stoffen, wat bijdraagt aan een beter beheer van waterbronnen en een efficiëntere monitoring van milieuvervuiling.

Bij het toepassen van deze geavanceerde nanosensoren is het belangrijk te begrijpen dat de keuze van het materiaal en de techniek van cruciaal belang zijn voor de efficiëntie van de sensoren. De nanodeeltjes moeten specifiek kunnen reageren op de te meten stoffen, wat vaak wordt bereikt door het modificeren van hun oppervlakken met moleculaire herkenningssystemen zoals enzymen of antilichamen. De verschillende toepassingen van nanodeeltjes in sensorontwikkeling, van grafiet- tot kwantumdotsystemen, benadrukken de veelzijdigheid en de enorme potentie van nanotechnologie voor waterkwaliteitsmonitoring.

Waarom hebben nanodeeltjes unieke eigenschappen die bulkmaterialen niet bezitten?

Een belangrijke vraag die zich hierbij stelt is waarom we deze kwantummechanische effecten niet zien bij bulkmaterialen. Dit komt doordat in bulkmaterialen het aantal atomen zo groot is dat hun fysisch-chemische eigenschappen simpelweg het gemiddelde zijn van de individuele kwantumkrachten die op elk atoom werken. Wanneer de grootte van een materiaal echter wordt verkleind, neemt het aantal atomen aanzienlijk af. Bijvoorbeeld, als de diameter van een solide bol met een factor tien wordt verkleind, neemt de massa en het aantal atomen met een factor duizend af. Bij nanodeeltjes worden de atomen zo’n klein aantal dat hun gedrag niet langer gemiddeld wordt, maar dat de specifieke gedragingen van individuele atomen of moleculen naar voren komen. Dit maakt de eigenschappen van nanodeeltjes sterk afhankelijk van de grootte en heel anders dan die van bulkmaterialen.

Er zijn twee fundamentele eigenschappen van nanodeeltjes die van cruciaal belang zijn voor hun toepassingen. De eerste betreft hun extreem hoge oppervlak-tot-massa-verhouding, ook wel de hoge specifieke oppervlakte genoemd. In vergelijking met hun bulkvormen, bieden nanodeeltjes een veel groter oppervlak per eenheid massa of volume. Wanneer een bulkmateriaal wordt omgezet in nanodeeltjes, blijft de totale massa gelijk, maar de totale oppervlakte neemt exponentieel toe. Dit betekent dat nanotechnologie geen massa creëert, maar het oppervlak enorm vergroot. Als we bijvoorbeeld een solide kubus met een zijde van 1 cm nemen, heeft deze een totale oppervlakte van 6 cm². Als we deze kubus in kleinere kubussen van 1 mm zijde splitsen, verandert de oppervlakte naar 60 cm². Als we dit verder verkleinen tot nanodeeltjes van 1 nm, neemt de oppervlakte toe tot 60.000.000 cm², genoeg om de vloer van het Witte Huis te bedekken. Dit komt doordat de oppervlakte/volume-verhouding afhangt van de grootte van het deeltje en bij kleinere deeltjes een veel groter deel van de atomen aan het oppervlak ligt, waardoor ze veel reactiever zijn.

De tweede belangrijke eigenschap van nanodeeltjes is hun oplosbaarheid of dispersie in vloeistoffen en gassen. In tegenstelling tot grotere deeltjes, waarbij de zwaartekracht een significante invloed heeft op hun beweging (waardoor zwaardere deeltjes naar de bodem zinken), wordt de zwaartekracht bij nanodeeltjes steeds minder relevant naarmate de grootte van de deeltjes afneemt. Hierdoor kunnen nanodeeltjes, in plaats van naar de bodem te zinken, in suspensie blijven in vloeistoffen, waarbij ze zich gelijkmatig verspreiden en een “oplossing” vormen. Dit fenomeen werd voor het eerst waargenomen door de botanicus Robert Brown in 1827, toen hij onder een microscoop plantpollen in water bestudeerde en ontdekte dat de deeltjes zich willekeurig bewogen. Deze beweging van de deeltjes werd later aangeduid als Brownse beweging en speelt een cruciale rol in de manier waarop nanodeeltjes zich in vloeistoffen gedragen.