Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва діє до: 2015
    Журнал: Євразійський Союз Вчених

    Наукова стаття на тему 'КВАНТОВІ ТОЧКИ І УРОЖАЙ'

    Текст наукової роботи на тему «КВАНТОВІ ТОЧКИ І УРОЖАЙ»

    ?Євразійський Союз Вчених (ЕСУ) # X, 2014 | Хімічні науки 89

    КВАНТОВІ ТОЧКИ І УРОЖАЙ

    Павлов Сергій Олексійович

    професор, д.х.н., «Російський хіміко-технологічний університет ім. Д.І. Менделєєва », м.Москва

    Вранці Микола Борисович «Російський хіміко-технологічний університет ім. Д.І. Менделєєва », м.Москва

    «Квантові точки» - нове покоління люмінофорів, синтезованих в останні роки. Квантові точки (КТ) є колоїдні напівпровідникові матеріали, що володіють унікальними оптичними властивостями і високим ступенем сумісності з Поліо-лефіновимі полімерними матрицями. Ця остання обставина дозволяє на основі КТ і широко поширених комерційних поліетиленів високого і низького тиску (ПЕВТ, ПЕНД), поліпропілену (1111) і їх сумішей, отримувати нові флуоресцентні плівки, що володіють прекрасними оптичними та механічними властивостями і придатні для застосування в сільському господарстві в якості укривного матеріалу для теплиць.

    Ефективне застосування таких плівок в сільському господарстві пов'язано з цілим рядом принципових моментів і, зокрема, з можливістю істотного підвищення врожайності більшості тепличних культур. Слід зазначити, що в умовах сучасних економічних реалій і необхідності імпортозаміщення ця проблема є особливо актуальною.

    Так, сучасної сільськогосподарської наукою встановлено, що фундаментальним фактором, що обмежує фотосинтетичну продуктивність зеленої рослини, є кількість квантів світла сонячного випромінювання, що поглинається зеленим листом.

    Ще на початку минулого століття К.А. Тімірязєв ​​прийшов до наступного фундаментального висновку: «Ми можемо доставити рослині скільки завгодно добрив, хоч греблю гати води, можемо, мабуть оберігати його від холоду в теплицях, можемо прискорити круговорот вуглекислоти, але не отримаємо органічної речовини більш тієї кількості, яка відповідає кількості сонячної енергії, одержуваної рослиною від сонця. Це - межа, переступити за який не у владі людини. Але раз ми дізнаємося цю межу, ми отримаємо справжню, строго наукову міру для межі продуктивності даної площі землі, а, в той же час, будемо в змозі судити про

    150

    50

    1! (

    л 1 I 1 - Хлорофіл б |

    1. 1. 1 + 1 1 660

    V 1 | Хлорофіл а ^^

    '1 блз 1'

    1: 1 до 1 I

    1 + 1, ./

    Л / \

    N --- »- 1 + 1 >

    тому, наскільки наші культури наближаються до досконалості ... ». Вивчення впливу спектрального складу світла, що проводиться як вітчизняними, так і зарубіжними дослідниками ще з середини минулого століття дозволило достовірно встановити різну роль різних спектральних діапазонів на ріст і розвиток рослин.

    Так, численні експериментальні дані [1,2] показують, що лист сильно поглинає у видимій і ближній ультрафіолетовій областях 350-700 нм, причому максимуми припадають на червону 600-650 нм і синьо-фіолетову області 350-500 нм. Мінімум поглинання припадає на зелену область 500-550 нм. На довжинах хвиль, великих 750 нм поглинання променевої енергії практично не відбувається. Далі поглинання виникає в ближній ІЧ-області, і обумовлено воно поглинанням води, що міститься в листі. Найбільш фізіологічно важливе поглинання лежить в області 600-700 нм і пов'язане виключно з хлорофілом і лише мала частина припадає на деякі інші ферменти, наприклад каротиноїди. Типовий спектр поглинання хлорофілу зеленого листа наведено на малюнку 1. Графіки відносної біологічної ефективності наведені на малюнку 2.

    Так, було встановлено [3-6], що всі фізіологічні процеси в рослинах відбуваються за рахунок сонячної радіації, що поглинається в області 400-750 нм і званої фізіологічно активною радіацією (ФАР). При цьому поглинання в синьою і ближньої УФ-областях спектра надає, в основному, тільки фототропное і фоторегулі-ючий дію. Червона область спектра 600-700 нм безпосередньо впливає на фотосинтетичну продуктивність і, відповідно, на формування біомаси. Зелена частина спектра (500-580 нм) не робить будь-якого специфічного впливу на розвиток рослини. Поглинання в ближній ІЧ-області обумовлено поглинанням міжклітинної водою і навіть не надає біоспеціфіческого дії.

    500 600

    Довжина хвилі, ні

    700

    Малюнок 1. Спектр поглинання хлорофілу у видимій частині спектру

    Малюнок 2. Характерні спектральні залежності: 1 - розподілу інтенсивності сонячного випромінювання;

    2 - фотосинтетичної активності світла; 3 - розподілу чутливості людського ока.

    90

    Євразійський Союз Вчених (ЕСУ) # Х, 2014 | хімічні науки

    Спектральна залежність кривої фотосинтетичної активності, наведена на малюнку 2, показує, що максимум розподілу інтенсивності сонячного світла не збігається з кривою активності.

    У численних роботах, проведених ще в минулому столітті, було показано, що добавка інтенсивності випромінювання в спектральної області 600-700 нм дозволяє збільшити врожайність на 30-70%. Терміни дозрівання при цьому також помітно скорочуються. Відзначається, що додаткове освітлення в необхідних областях спектра дозволяє підвищити врожайність на 25-35% [6, 7].

    Таке штучне збільшення інтенсивності світла може бути забезпечено шляхом включення електричних джерел світла необхідного спектрального складу [8-11]. При цьому для досягнення значущого ефекту необхідно затратити від 100 Вт до 1 кВт електроенергії на 1 кв. метр площі теплиці. Працювати джерела випромінювання повинні не менше 10-12 годин на добу. Важливо відзначити, що подібні енерговитрати істотно знижують економічну привабливість ведення тепличного господарства.

    У той же час подібного ефекту можна досягти без витрат електроенергії тільки за рахунок застосування описаних вище фотолюмінісцентних плівок. Слід зазначити, що дана ідея не може бути принципово реалізована за рахунок застосування традиційних люмінофорів, що володіють малою величиною стоксовского зсуву, так як вони не в змозі забезпечити необхідний рівень светоконверсіі.

    0.5

    | 0.45

    I

    про 0.4 ф

    Про.

    II 0.35 -Її 0.3

    0

    1 ш

    5 0.25

    | 0.2

    До

    СО

    5 0.15

    =;

    ш

    5 0.1

    про

    Про 0.05

    В останні роки були зроблені спроби надати светоконверсірующіе властивості поліетиленової плівки за допомогою люмінофорів на основі рідкоземельних елементів. Однак, такі матеріали також не могли забезпечити необхідні споживчі властивості за цілою низкою причин, серед яких слід вказати низьку ефективність светопреобразованія через недостатній рівень поглинання в синьою і УФ-областях спектра, поганий сумісності з поліетиленовою матрицею і, відповідно, високого рівня розсіювання, низької светоста-мобільності та ін. Разом з тим використані в даній роботі КТ позбавлені практично всіх зазначених недоліків.

    Спектр, отриманої в даній роботі флуоресціює поліетиленової плівки, наведено на малюнку 3. Видно, що область висвітлювання доводиться безпосередньо на область максимальної фотосинтетичної активності (малюнок 2). Далі на малюнку 4 наведено спектри сонячного світла, що пройшло через зазначену плівку. З цього малюнка видно, що зниження інтенсивності у синій області спектра супроводжується збільшенням інтенсивності в фотосинтетичний активній області спектра 600-700 нм. Розрахунки показали, що в фотосінетіческі активну область спектра може бути переведено до 50% випромінювання, поглиненого в синій області. Абсолютна ж добавка інтенсивності в області ФАР може досягати 10%.

    про

    350

    - - 1-- - -

    400

    450

    500 550 600 Довжина хвилі, нм

    650

    700

    750

    350

    а) 1

    ш -Ч, - / Л) // 7 3 4

    4 т Р '_-7 7

    / 6 ь yoз 4 ^ / 6

    В) //// 3 2 __

    400 450

    500

    550 600 I, НІ

    650 700

    750

    800

    Малюнок 3. Спектр флуоресценції поліетиленової плівки, модифікованої фотоактивного добавкою КТ, в червоній області 620 нм, збуджений монохроматическим світлом з довжиною хвилі 400 нм.

    Високі люмінесцентні властивості отриманого в даній роботі поліетилену ілюструються на малюнку 5, де добре видно флуоресценція грануляту полімеру при висвітленні його світлом з довжиною хвилі 400 нм.

    Висока ефективність светопреобразованія сонячного спектра дозволяє отримати добавку врожаю деяких традиційних тепличних культур до 50% по

    Малюнок 4. а) Спектр природної освітленості під плівкою ПЕВТ (товщина 50 мкм), що містить різні концентрації фотоактивного компонента: 1 - немодифіковані плівка, 2 - містить 0,1 мг / г квантових точок, 3 - 0,2 мг / г, 3 - 0,4 мг / г, 5 - 0,6 мг / г, 6 - 0,8 мг / г, 7 - 1,0 мг / г. б) Спектр фотолюмінесценції використаної плівки в світлі при порушенні монохроматическим світлом 400 нм.

    порівняно з використанням немодифікованої укривной поліетиленової плівки. Відповідні результати наведені в таблиці 1.

    Можна вважати, що отримані нами укривние матеріали знайдуть широке застосування в тепличних господарствах Середньої Смуги і Півдня Росії.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити