CC BY
28
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # X, 2014 | Химические науки 89
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ И УРОЖАЙ
Павлов Сергей Алексеевич
профессор, д.х.н., «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», г. Москва
Воронец Николай Борисович «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», г. Москва
«Квантовые точки» - новое поколение люминофоров, синтезированных в последние годы. Квантовые точки (КТ) представляют собой коллоидные полупроводниковые материалы, обладающие уникальными оптическими свойствами и высокой степенью совместимости с полио-лефиновыми полимерными матрицами. Это последнее обстоятельство позволяет на основе КТ и широко распространенных коммерческих полиэтиленов высокого и низкого давления (ПЭВД, ПЭНД), полипропилена (1111) и их смесей, получать новые флуоресцирующие пленки, обладающие прекрасными оптическими и механическими свойствами и пригодные для применения в сельском хозяйстве в качестве укрывного материала для теплиц.
Эффективное применение таких пленок в сельском хозяйстве связано с целым рядом принципиальных моментов и, в частности, с возможностью существенного повышения урожайности большинства тепличных культур. Следует отметить, что в условиях современных экономических реалий и необходимости импортозамещения эта проблема представляется особенно актуальной.
Так, современной сельскохозяйственной наукой установлено, что фундаментальным фактором, ограничивающим фотосинтетическую продуктивность зеленого растения, является количество квантов света солнечного излучения, поглощаемого зеленым листом.
Ещё в начале прошлого века К.А. Тимирязев пришел к следующему фундаментальному выводу: «Мы можем доставить растению сколько угодно удобрений, сколько угодно воды, можем, пожалуй оберегать его от холода в теплицах, можем ускорить круговорот углекислоты, но не получим органического вещества более того количества, которое соответствует количеству солнечной энергии, получаемой растением от солнца. Это - предел, преступить за который не во власти человека. Но раз мы узнаем этот предел, мы получим настоящую, строго научную меру для предела производительности данной площади земли, а, в то же время, будем в состоянии судить о
150
50
1 !(
л 1 I 1 - Хлорофилл б ■
1 . 1 . 1 1 1 660
V 1 | Хлорофилл а ^^
' 1 блз 1 '
1 : 1 к 1 I
1 1 , ./
Л / \
N--- » - 1 1 >
том, насколько наши культуры приближаются к совершенству...». Изучение влияния спектрального состава света, проводимое как отечественными, так и зарубежными исследователями ещё с середины прошлого века позволило достоверно установить различную роль различных спектральных диапазонов на рост и развитие растений.
Так, многочисленные экспериментальные данные [1,2] показывают, что лист сильно поглощает в видимой и ближней ультрафиолетовой областях 350-700 нм, причем максимумы приходятся на красную 600-650 нм и сине-фиолетовую области 350-500 нм. Минимум поглощения приходится на зеленую область 500-550 нм. На длинах волн, больших 750 нм поглощения лучистой энергии практически не происходит. Далее поглощение возникает в ближней ИК-области, и обусловлено оно поглощением воды, содержащейся в листьях. Наиболее физиологически важное поглощение лежит в области 600-700 нм и связано исключительно с хлорофиллом и лишь малая часть приходится на некоторые другие ферменты, например каротиноиды. Типичный спектр поглощения хлорофилла зеленого листа приведен на рисунке 1. Графики относительной биологической эффективности приведены на рисунке 2.
Так, было установлено [3-6], что все физиологические процессы в растениях совершаются за счет солнечной радиации, поглощаемой в области 400-750 нм и называемой физиологически активной радиацией (ФАР). При этом поглощение в синей и ближней УФ-областях спектра оказывает, в основном, только фототропное и фоторегули-рующее действие. Красная область спектра 600-700 нм непосредственно влияет на фотосинтетическую продуктивность и, соответственно, на формирование биомассы. Зеленая часть спектра (500-580 нм) не оказывает какого либо специфического влияния на развитие растения. Поглощение в ближней ИК-области обусловлено поглощением межклеточной водой и также не оказывает биоспецифического действия.
500 600
Длина волны, ни
700
Рисунок 1. Спектр поглощения хлорофилла в видимой части спектра
Рисунок 2. Характерные спектральные зависимости: 1 - распределения интенсивности солнечного излучения;
2 - фотосинтетической активности света; 3 - распределения чувствительности человеческого глаза.
90
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # Х, 2014 | Химические науки
Спектральная зависимость кривой фотосинтетической активности, приведенная на рисунке 2, показывает, что максимум распределения интенсивности солнечного света не совпадает с кривой активности.
В многочисленных работах, проведенных ещё в прошлом веке, было показано, что добавка интенсивности излучения в спектральной области 600-700 нм позволяет увеличить урожайность на 30-70%. Сроки созревания при этом также заметно сокращаются. Отмечается, что дополнительное освещение в требуемых областях спектра позволяет повысить урожайность на 25-35% [6, 7].
Такое искусственное увеличение интенсивности света может быть обеспечено путем включения электрических источников света необходимого спектрального состава [8-11]. При этом для достижения значимого эффекта необходимо затратить от 100 Вт до 1 кВт электроэнергии на 1 кв. метр площади теплицы. Работать источники излучения должны не менее 10-12 часов в сутки. Важно отметить, что подобные энергозатраты существенным образом снижают экономическую привлекательность ведения тепличного хозяйства.
В тоже время подобного эффекта можно достичь без затрат электроэнергии только за счет применения описанных выше фотолюминесцентных пленок. Следует отметить, что данная идея не может быть принципиально реализована за счет применения традиционных люминофоров, обладающих малой величиной стоксовского сдвига, так как они не в состоянии обеспечить необходимый уровень светоконверсии.
0.5
| 0.45
I
(Б
о 0.4 ф
О.
II 0.35 -еЁ 0.3
0
1 ш
5 0.25
'Б
| 0.2
К
СО
5 0.15
=;
ш
5 0.1
о
О 0.05
В последние годы были сделаны попытки придать светоконверсирующие свойства полиэтиленовой пленки с помощью люминофоров на основе редкоземельных элементов. Однако, такие материалы также не могли обеспечить необходимые потребительские свойства по целому ряду причин, среди которых следует указать низкую эффективность светопреобразования из-за недостаточного уровня поглощения в синей и УФ-областях спектра, плохой совместимости с полиэтиленовой матрицей и, соответственно, высокого уровня рассеяния, низкой светоста-бильности и др. Вместе с тем использованные в данной работе КТ лишены практически всех указанных недостатков.
Спектр, полученной в данной работе флуоресцирующей полиэтиленовой пленки, приведен на рисунке 3. Видно, что область высвечивания приходится непосредственно на область максимальной фотосинтетической активности (рисунок 2). Далее на рисунке 4 приведены спектры солнечного света, прошедшего через указанную пленку. Из этого рисунка видно, что снижение интенсивности в синей области спектра сопровождается увеличением интенсивности в фотосинтетически активной области спектра 600-700 нм. Расчеты показали, что в фотосинетически активную область спектра может быть переведено до 50% излучения, поглощенного в синей области. Абсолютная же добавка интенсивности в области ФАР может достигать 10%.
о
350
—- - 1—— - -
400
450
500 550 600 Длина волны,нм
650
700
750
350
а) 1
ш —Ч,- / Л)// 7 3 4
4 т Р' _-7 7
/ 6 ь ёз 4^ /6
В)//// 3 2 __
400 450
500
550 600 I , НИ
650 700
750
800
Рисунок 3. Спектр флуоресценции полиэтиленовой пленки, модифицированной фотоактивной добавкой КТ, в красной области 620 нм, возбужденный монохроматическим светом с длиной волны 400 нм.
Высокие люминесцентные свойства полученного в данной работе полиэтилена иллюстрируются на рисунке 5, где хорошо видна флуоресценция гранулята полимера при освещении его светом с длиной волны 400 нм.
Высокая эффективность светопреобразования солнечного спектра позволяет получить добавку урожая некоторых традиционных тепличных культур до 50% по
Рисунок 4. а) Спектр естественной освещенности под пленкой ПЭВД (толщина 50 мкм), содержащей различные концентрации фотоактивного компонента: 1 - немодифицированная пленка, 2 - содержит 0,1 мг/г квантовых точек, 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 фотолюминесценции использованной пленки в проходящем свете при возбуждении монохроматическим светом 400 нм.
сравнению с использованием немодифицированной укрывной полиэтиленовой пленки. Соответствующие результаты приведены в таблице 1.
Можно полагать, что полученные нами укрывные материалы найдут широкое применение в тепличных хозяйствах Средней Полосы и Юга России.
