2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of a Spraying System by Selective Deposition toward Advanced Plant Production
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20K05188
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
レンゴロ ウレット 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10304403)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 微粒子 / 肥料 / 植物 / 噴霧 / 微細化 / ナノ粒子 / 液滴 / ミスト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
環境と食料生産とを両立させるには、肥料の供給を抑制することが求められている。しかし、投入量の最適化ならびにその散布効率向上に関する研究は遅れている。本応募研究では、肥料の微粒化（ナノ粒子化）を行い、その微粒子のキャリアとしてナノメーターとマイクロメーター・スケールの帯電液滴群を用いることで、肥料が植物に選択的に沈着される散布システムの開発を行う。高い選択性と沈着力を持つ散布システムの開発と育成実験に基づく評価により、植物の成長を促進しつつ、吸収されない肥料成分を最小化する食料生産体系の構築を目指している。
2020年度には多成分系無機化合物であるカルシウム・リン（Ca-P）系の肥料を対象材料とした。微粒化（ナノ粒子化）を行い、ナノ粒子懸濁液を得ようとしたが、先に生成粒子の溶解挙動（各イオンの水への溶解）を解明する必要があることがわかった。異なるpHを有するサンプル水中における粒子の溶解挙動を評価する方法として電子顕微鏡による形態変化および懸濁液中による粒子径分布を用いた。真空条件である電子顕微鏡での観察においては、対象粒子がサンプル水への浸水前後で同じ粒子を観察することが困難であったが、解決した。
Ca-P系の粒子を合成する際の加熱時の操作温度が生成粒子の結晶構造に及ぼすことが確認できていたが、本研究においても結晶性が優れているCa-P系の粒子が溶解しにくいことが確認された。一方、Ca-P系の結晶として不完全な粒子の方が溶解しやすいことも確認された。続いて、肥料を含んだ懸濁液を気中に分散して、目的の表面（植物の葉など）に散布できるような装置を新たに試作した。静電噴霧が基本となるが、電界と熱流体シミュレーションを行った結果、噴霧ノズルと目標との距離が重要であり、目的の（3次元的な）表面の位置付けが重要な役割をもつことが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
生成粒子の溶解挙動の重要性を確認してから、その評価方法について文献などを調べたが、参考にできる文献がなかった。新たな評価法を構築することになった。特に真空条件である電子顕微鏡での観察においては、対象粒子がサンプル水への浸水前後で同じ粒子を観察することが困難であったが、解決した。
肥料を含んだ懸濁液を気中に分散して、目的の表面に散布できるような装置を新たに試作するための部品の手配に時間がかかった。また散布装置と目的の表面との距離の最適化を確認するための数値シミュレーションの構築は研究室博士後期学生の協力を得たがその調整に時間がかかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
生成粒子の溶解挙動の解明にはもう少しデータが必要である。電子顕微鏡による形態変化の観察にはμｍオーダーが主なスケールであったが、今後は㎚オーダーのスケールに調整する。
Ca-P系の粒子の結晶構造と溶解挙動との関連性をさらに解明し、植物側のタイムスケールに合わせた溶解のタイミングが制御できるようにしていく。
肥料を含んだ懸濁液を目標の表面に散布するが、その集積状態を確認しながら、できればその場での溶解挙動を把握していく
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| Causes of Carryover |
主な経費として液滴群を発生する噴霧装置の設計と製作が予定された。2020年度にはパンデミック中の研究室への人数制限を設けることになり、設計と製作の協力者である博士課程後期学生が入室できる日数も限られ、結果的に2020年度には噴霧装置の製作ができくなり、2021年度に装置を製作することになる。
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