The effects of carbon dots on different clay minerals

Öz

Climate changes, increasing population, and decreasing soil quality create challenges in food security on a global scale. Traditional agricultural methods are insufficient to support sustainable agricultural production, making it essential to develop a high-performance and sustainable agricultural system to effectively address the issue of food insecurity. In recent years, there have been promising developments in the use of nanotechnology in agriculture to increase input efficiency in agricultural areas, enhance food production and safety, and address agricultural and environmental problems. Due to their chemical and physical properties, there is a rapid increase in the use of nanoparticles, a product of nanotechnology, in various fields. Carbon dots (CDs), defined as quasi-carbon materials with sizes typically ranging from 0.1 to 20 nm, have recently become quite popular. Carbon dots, which exhibit distinct differences from previously studied carbon forms in terms of structure and properties, attract attention with their various physicochemical qualities, including high biocompatibility and high stability. This study aims to examine research on carbon dots, which significantly enhance soil aggregation and productivity and are a component of ash. Research indicates that carbon dots and clay composites have the potential to provide innovative solutions for environmental and agricultural applications. In this context, the interactions between carbon dots and different clay minerals are examined in detail, focusing on electrostatic interactions, van der Waals forces, and surface functionalization processes, and evaluating the effects of these interactions on efficiency and adsorption capacity.

Anahtar Kelimeler

• Carbon dots
• nanotechnology
• clay minerals
• sustainable agriculture

Karbon noktalarının farklı kil mineralleri üzerindeki etkisi

Öz

İklim değişimleri, artan insan sayısı ve azalan toprak kalitesi gibi nedenlerle dünya ölçeğinde gıda güvenliğinde zorluklar yaşanmaktadır. Geleneksel tarım yöntemleri sürdürülebilir tarımsal üretimi desteklemede yetersiz kaldığından, gıda güvensizliği sorununu etkili bir şekilde çözmek için yüksek performanslı ve sürdürülebilir bir tarım sistemini geliştirmek önem arz etmektedir. Son yıllarda tarımsal alanlarda girdi verimliliğini arttırarak gıda üretimini ve güvenliliğini arttırmak, tarım ve çevresel sorunlara çözüm üretmek amacıyla tarımda nanoteknoloji kullanımında umut verici gelişmeler olmaktadır. Nanoteknolojinin bir ürünü olan nano partiküllerin kimyasal ve fiziksel özellikleri sayesinde çeşitli alanlardaki kullanımlarında hızlı artışlar gözlenmektedir. Son dönemlerde boyutları genellikle 0.1-20 nm arasında değişen ve yarı karbon bir malzeme olarak tanımlanan karbon noktaları (KN) oldukça popüler hale gelmiştir. Yapı ve özellikleri itibarıyla daha önce incelenmiş karbon formlarına göre belirgin farklılıklar gösteren karbon noktaları, çeşitli fizikokimyasal niteliklerin yanı sıra yüksek biyo-uyumluluk ve yüksek stabilite gibi özellikleri ile dikkat çekmektedir. Toprak agregasyonu ve verimliliğini önemli ölçüde artıran ve bir kül bileşeni olan karbon noktaları hakkında yapılan araştırmalar bu çalışmada incelenmeye çalışılmıştır. Yapılan araştırmalarda karbon noktaları ile kil kompozitlerinin çevresel ve tarımsal uygulamalarda yenilikçi çözümler sunma potansiyeline sahip materyaller olduğu öne çıkmaktadır. Bu kapsamda karbon noktalarının farklı kil mineralleriyle olan etkileşimleri incelemekte; özellikle elektrostatik etkileşimler, van der Waals kuvvetleri ve yüzey fonksiyonelleştirme süreçleri detaylı bir şekilde ele alınmakta, bu etkileşimlerin verimlilik ve adsorpsiyon kapasitesi üzerindeki etkileri değerlendirilmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Karbon noktalar
• Nanoteknoloji
• Kil mineralleri
• Sürdürülebilir tarım

Kaynakça

1. Arpita Kumar S, Kumar P, Kataria N, Bhankar V, Kumar K, Kumar R, Hsieh CT, Khoo KS, 2023. Assessment of biomass-derived carbon dots as highly sensitive and selective templates for the sensing of hazardous ions. Nanoscale.
2. Bai Y, Cao X, Zhang X, Liang X, Wang H, 2019. Adsorption mechanism of carbon dots on clay minerals: Insights from experimental and theoretical studies. J. Colloid Interface Sci. 554:114–123.
3. Baştürk MH, Arslanoğlu SF, Öztürk R, 2022. Karbon noktaların tarımsal üretimde kullanılması. Int. J. Life Sci. Biotechnol. 5(3):669–679.
4. Boruah JS, Chowdhury D, 2023. Advances in carbon nanomaterial clay nanocomposites for diverse applications. Minerals 13(1):26.
5. Chen J, Liang Z, Yang X, 2020. Toxicological evaluations of carbon dots in agricultural systems. Environ. Toxicol. Chem. 39(5):1311–1320.
6. Chen S, Liu J, Zeng H, Zhang Z, Chen C, 2021. Interaction mechanisms between engineered nanoparticles and clay minerals: Implications for soil remediation. Environ. Sci. Nano 8(2):404–423.
7. Dinç S, Kara M, 2018. Synthesis and applications of carbon dots from food and natural products. J. Apitherapy Nat. 1(1):33–37.
8. Kang Z, Lee ST, 2019. Carbon dots: Advances in nanocarbon applications. Nanoscale 11(41):19214–19224.

9. Li G, Xu J, Xu K, 2023. Physiological functions of carbon dots and their applications in agriculture production. Preprints.
10. Li J, Li X, Kah M, Yue L, Cheng B, Wang C, Wang Z, Xing B, 2024. Unlocking the potential of carbon dots in agriculture using data-driven approaches. Sci. Total Environ.
11. Li J, et al, 2020. Interaction between carbon nanodots and clay minerals for biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C 114:111073.
12. Li Y, et al, 2021. Magnesium-nitrogen co-doped carbon dots enhance plant growth through multifunctional regulation in photosynthesis. Chem. Eng. J. 422:130114.
13. Li Z, Wang S, Wang X, 2020. Carbon dots as delivery carriers for controlled release of agrochemicals. J. Agric. Food Chem. 68(28):7563–7572.
14. Lowry GV, Avellan A, Gilbertson LM, 2019. Opportunities and challenges for nanotechnology in the agri-tech revolution. Nat. Nanotechnol. 14:517–522.
15. Lu T, Chen J, Zhang Q, Zhang M, Li Y, Q Z, 2023. Surfactant mediated mobility of carbon dots in saturated soil: Comparison between anionic and cationic surfactants. Environ. Sci. Pollut. Res. 30:37622–37633.
16. Maholiya A, Ranjan P, Khan R, Murali S, Nainwal RC, Chauhan PS, et al, 2023. An insight into the role of carbon dots in the agriculture system: a review. Environ. Sci. Nano 10:959–995.
17. Sposito G, 1989. The chemistry of soils. Oxford Univ. Press.
18. Tripathi S, Sarkar S, 2022. Chapter 8 - Carbon dots in agricultural system. In: R Khan, S Murali, & S Gogoi (Eds.), Carbon Dots in Agricultural Systems (pp. 175–197). Academic Press.
19. Willet W, Rockström J, Loken B, Springmann M, Lang T, Vermeulen S, et al, 2019. Food in the Anthropocene: the EAT-Lancet Commission on healthy diets from sustainable food systems. Lancet 393:447–492.
20. Xia C, Zhu S, Feng T, Yang M, Yang B, 2019. Evolution and synthesis of carbon dots: From carbon dots to carbonized polymer dots. Adv. Sci. 6:1901316.
21. Yang X, Li C, Liu Y, 2019. Carbon dots enhance plant growth and photosynthesis. J. Agric. Food Chem. 67(15):4426–4434.
22. Zhao J, Li Y, Liu Y, Wang X, Zhang X, 2019. Functionalization of carbon dots on beidellite clay for enhanced reactivity and functionality in environmental and catalytic applications. Environ. Sci. Technol. 53(12):6789–6798.
23. Zhao X, Li W, Zhang Y, 2017. Carbon quantum dots as fluorescent probes for pesticide detection. J. Agric. Food Chem. 65(34):7395–7400.