中國製造2025系列M之七：農業機械裝備

2018-11-04

人造光合作用 (Artificial photosynthesis, AP) 旨在以海洋甚至河流中的水為原料，在陽光的參與下分解成氫、氧和有機物。目前已有電動汽車使用 AP 供氧的燃料電池，同樣的技術還可用來儲存太陽能。液氫等液體燃料與電池相比具有明顯的優勢，前者重量更輕，體積更小。AP 的產物也可用來產生甲醇，供內燃機使用。整體來說，將其利用在新能源領域的附加值會更高些！

不過，AP 反應略經改造也可與細菌代謝工程配合製造產氮細菌，這種技術可以在無需常規施肥的情況下在土壤中產生氮肥，提高農作物產量。這些細菌能夠吸收 AP 產生的氫氣，並用它來生產一系列產物，包括藥物、化肥、燃料和塑料等。

而 AP 面臨的主要挑戰是自然界的光合作用效率低下，植物只能將約 1% 的碳和水轉化為碳水化合物。不過實驗室中的效率已經提高到約 10%，在澳大利亞 Melbourne、Monash 大學的研究人員甚至將轉化率提高到了 22%。

Ref.:

宮非：高大上系列L之廿三：?墨烯三明治結構解決光解?制氫難題?

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宮非：高大上系列L之廿五：石墨烯用來提高肥料的效率?

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2018-11-02

農業機械裝備是提高農業生產效率、實現資源有效利用、推動農業可持續發展的不可或缺工具，對保障國家糧食安全、促進農業增產增效、改變農民增收方式和推動農村發展起著非常重要的作用。作為裝備製造業當中與農業密切相關的行業，國家為農機工業提供了持續走強的政策體系，並實施穩定的財稅支持，這一切使得我國農機工業的綜合實力得以快速提升，農機工業生產總值、銷售收入、利潤總額、進出口貿易額連續多年增幅均在 20% 以上，目前經濟總量已居世界前列。拖拉機、聯合收割機、植保機械、農用水泵等產品產量居世界第一位。當前，我國正處在工業化、城鎮化和農業現代化加快發展的重要階段，農機產品的國內需求仍處於快速增長期。農業現代化和農業產業化進程的加快，為農機產業提供了廣闊的發展空間。但我國農業機械裝備領域與發達工業國家相比還有較大的提升空間。我國農業機械裝備製造業要以國家實施的「中國製造 2025」、「一帶一路」戰略為契機，培育核心競爭力，通過創新實現突破，通過產業結構優化實現適應經濟新常態的戰略性調整，為行業注入新的能量，實現由製造大國到製造強國的跨越。

真要提到石墨烯應用在"智能裝備"上的應用，其實跟其它像電子信息及高檔數控機床、機器人的內容是大同小異的，今天我們換個角度，分別來談「GPS「及」石墨烯與農業有何關聯？「首先，GPS 為何可以跟石墨烯掛鉤上呢？且聽我娓娓道來！我在以前一篇文章曾回答：富勒烯為何能夠使 GPS 導航系統精準到 1 毫米？

首先，我們先來了解一下 GPS 的原理。全球定位系統可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的 24 顆 GPS 衛星；地面上 1 個主控站、3 個數據注入站和 5 個監測站及作為用戶端的 GPS 接收機。最少只需其中 3 顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。由於 GPS 無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用GPS 對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差 (即 SA 政策，Selective Availability) 以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在 100 米左右；軍規的精度在 10 米以下。2000 年以後，柯林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用 GPS 也可以達到 10 米左右的定位精度。

在 GPS 的測量上，我們測的是」無線信號」，假設衛星在 11,000 英哩高處，速度幾乎達 186,000 千英哩/Sec 的光速，而時間卻短的驚人，甚至只要 0.06 秒，所以導航定位與」時間」的精度密切相關。時間的測量需要二個不同的時表，一個時表裝置於衛星上以記錄無線電信號傳送的時間，另一個時表則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，雖然衛星傳送信號至接收器的時間極短，但時間上並不同步，假設衛星與接收器同時發出聲音給我們，我們會聽到二種不同的聲音，這是因為衛星從 11,000 英哩遠的地方傳來，所以會有延遲的時間，因此，我們可以延遲接收器的時間，從此」延遲的時間╳速度」，就是接收器到衛星的距離，此即為 GPS 的基本定位原理。

Kyriakos Porfyrakis 博士的意思是將高精度的氮內嵌富勒烯原子鐘內嵌到手機裡面當作」接收器」，可能會將手機的 GPS 導航精確到1 毫米。有關這點我存疑的是，「原子鐘」的確是用來控制電視廣播和全球定位系統衛星的訊號，1974 年以後，GPS 衛星採用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到 10^-12/秒，誤差 8m。1977 年，BOKCK II 型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鐘後相對穩定頻率達到 10^-13/秒，誤差則降為 2.9m。1981 年，休斯公司研製的相對穩定頻率為 10^-14/秒的氫原子鐘使 BLOCK IIR型衛星誤差僅為 1m。以這個比例要達到 0 .1 公釐，相對頻率穩定度達到 10^-24/秒，相信對富勒烯的挑戰度是很高的。

導航都依賴「原子鐘」，因為只有原子鐘能夠在足夠小的體積內實現優於 1 納秒的精度。但現在的導航衛星，無論是 GPS 還是北斗，都使用普通原子鐘，也可以稱為「熱原子鐘」(相對冷原子鐘而言)。其基本原理是利用特殊原子 (例如氫原子、銣原子、銫原子) 的某個特定躍遷頻率，這個頻率有極高的穩定性，精度可以到皮秒甚至飛秒，但原子的這個躍遷頻率不能直接用，需要通過電磁波與原子相互作用，間接地用電磁波把這個頻率導出來，這是原子鐘的基本原理。Kyriakos Porfyrakis 博士系利用富勒烯像「籠子」般的特質，採用富勒烯是一種不同於「激光囚禁」的方法，即直接把原子放在富勒烯結構中，我們都知道富勒烯結構就是個籠子，關在籠子里，原子就不會到處亂跑了，從而實現了「冷卻」。另外，商用衛星訊號別想要多准，這些所謂的「准」，並不是真的准，而是靠導航軟體運算出「最合理的位置」，花那麼大工夫卻可以用「軟體」來修正，那還需要那麼貴的富勒烯做什麼！

先撇開修正的問題不談，石墨烯當然無法像富勒烯般有個籠子結構，但換個角度問，石墨烯難道就不能 GPS 有瓜葛嗎？事實上還是有機會的，這可要從二方面去談，一是「微波」、二是「光量子通信」開始說起。微波 (Microwave) 是指波長介於紅外線和特高頻 (UHF) 之間的射頻電磁波，因為有較寬的頻譜 (300MHz-300GHz)，且可穿過對流層和電離層，在無線通信上佔有非常重要的位置。近廿年來，微波的服務領域不斷擴大，從軍方雷達、飛機、ADS 射線武器，到民間的微波爐、手機通信、無線通信、GPS、感測器等，均有廣泛的應用。

「低雜訊微波放大器」主要用於通信系統中，將接收自天線的信號放大，以便後級的電子設備去做處理。信號在放大時，並不希望連同雜訊也跟著放大，所以雜訊比對放大器來說非常重要。石墨烯是 XY 二維平面 sp2 鍵結的結構，電子在傳輸時，較不易受到晶格本身的散射，具有較長的平均自由路徑，呈現"彈道傳輸" (Ballistic transport)，適合拿來製作低雜訊放大器。另外，像混波器、倍頻器、晶體管等主動元件，及電阻、電容等被動元件，我們都已經有了初步的成果。

石墨烯電子器件：軟基板上之高頻混頻器

最近，石墨烯也跟「超導」畫上了等號，只能說石墨烯驚奇之旅還會繼續下去，科學家也會持續不斷地找出更多應用場景。接著，我們來談「光量子通信」。光量子通信主要基於「量子糾纏態」的理論，使用量子隱形傳態(傳輸) 的方式實現信息傳遞。根據實驗驗證，具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化，利用這個特性實現光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量，則接收方的粒子瞬間發生坍塌變化。「坍塌變化」為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌變化後的狀態是對稱的，然後將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換 (相當於逆轉變換)，即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

不說各位可能還不知道，石墨烯也能跟「量子計算機」有所關聯。經典的電子自旋可以理解為電子繞自身軸旋轉而產生的「磁性體」。同時，電子繞原子核旋轉，產生循環「電流」和「磁場」。「磁性體」和磁場之間發生相互作用，即「自旋軌道耦合」。石墨烯自身的自旋軌道耦合可忽略不計，而金的自旋軌道耦合則非常強。金和石墨烯的相互作用使後者自旋軌道耦合增強，鈷對石墨烯的磁化也是如此。磁性自旋軌道石墨烯可應用於「量子計算機」領域，現在量子計算的信息元素 (量子位) 主要是在」冷原子」或」超導躍遷」中製成的，「速度」仍然是量子計算機原型機面臨的主要問題。這是由於與外部環境的交互作用，量子位來不及完成所需頻次的操作並保存計算結果，而基於新的「量子」材料，如磁性自旋軌道石墨烯，制出」量子位」可成為該問題的解決方案之一。接下來，通過扭曲的「雙層石墨烯」可作為一個靈活和可調諧的平台，使得其中相關的電子現象可以很容易觀察到，甚至可能被設計在「冷原子」這個議題上，這樣就可以做成「冷原子鐘」也說不定！

談完了上面這些所謂的「高大上」技術，我們也來談談一些「接地氣」技術。幾年前我對石墨烯應用在現代農業的想法是較缺乏的，那時候只想到～農業大棚 (高分子)、包裝保鮮膜 (抗菌) 及電熱膜 (薄膜)，最近開始研究「光合作用」！

光合作用是一個光生物化學反應，所以光合作用隨著光照強度的增減而增減。在暗中葉片不進行光合作用，而呼吸作用不斷釋放 CO2，隨著光強的增高，光和速率逐漸增強，逐漸接近呼吸速率，當到達某一光強時，葉片的光合速率等於呼吸速率，即 CO2 吸收量等於 CO2 釋放量，表觀「光合速率」為零，這時的光強稱為「光補償點」。植物在光補償點時，有機物的形成和消耗相等，不能積累干物質，而晚間還要消耗干物質，因此從全天看植物所需的最低光照強度，必須高於光補償點，才能使植物正常生長。當光照強度在光補償點以上繼續增加時，光合速率就成比率的增加，產生的有機物用於植物的生長。農作物作為生態系統中的重要生產者為其他物種提供食物，並利用光合作用固定二氧化碳。"高發芽率"是高產量的先決條件，許多研究表明，納米顆粒和碳納米管可以通過進入種子提高種皮的穿透性並促進水通道蛋白的表達，最終提高農作物的發芽率。但該作用機理可能導致納米材料在作物中積累，從而帶來食品安全問題。 (有關這段內容是作者的猜測，其實是錯誤的！)

Huang 等人 (2018) 成功合成了 14C 標記的少數層石墨烯，同位素標記法可以實現對石墨烯在植物中的追蹤和量化。水培時，無天然有機物的實驗組，隨著種植時間的增加，作物中石墨烯的含量急劇下降。對種植土壤中石墨烯的含量進行檢測，少於 15% 的植物中的石墨烯的積累量釋放到了土壤中。對土壤中石墨烯的降解進行檢測，結果表明，90 天后，仍有約 84.3% 的石墨烯留存在土壤中。所以植物釋放到土壤中的石墨烯的量的確很少，而非是石墨烯在土壤中降解而無法檢測到，而大部分的石墨烯則主要以「降解」的方式流失。對水稻果實進行石墨烯含量的檢測，並未檢測到石墨烯的存在。此工作利用同位素標記的方法首次探究了石墨烯在植物中的積累和轉移，並證明了石墨烯雖然會被植物吸收，但是並不會在水稻果實中有所積累，所以不會被人類所食用。

另外，2017 年清華大學的朱宏偉教授成功利用氧化石墨烯收集、運輸水分的特性提高菠菜和香蔥的發芽率。氧化石墨烯是石墨烯的重要衍生物，其表面含有大量的含氧官能團，因而可以溶解於很多溶劑中拓寬其應用範圍。利用氧化石墨烯水溶液澆灌的土壤種植菠菜和香蔥可以達到早發芽、多發芽的效果，且培育的菠菜生長速度快。對植物根表面及內部細胞的表徵並未發現氧化石墨烯片的粘附和侵入，從而確保了氧化石墨烯的無毒性。氧化石墨烯可以促進農作物發芽主要是由於表面的 sp3-sp2 共混結構發揮了重要作用。含氧官能團結構 (sp3) 具有極強的親水性，起到收集水、土壤保濕的作用。原有的石墨烯碳結構 (sp2) 具有疏水性能，可以實現水的超快傳輸，為作物的生長提供水分。

(a) A TEM image and (b) a selected area electron diffraction (SAED) pattern of GO sheets. (c) A photograph of a 50 μg/m aqueous solution of GO. (d) A schematic showing how GO promoted water transport in soil.

植物的生長離不開水，但不同的植物對於水分的需求也是不同的，那麼日常培育過程中如何才能有效地掌握這個度呢？這往往需要他人的傳授或者積累的經驗，不過來自愛荷華州立大學的科研專家找到了全新的方法，利用石墨烯製成的條狀濕度感測器，附著在葉片上就能知道需要多少水分。該項目由 Liang Dong 教授帶隊，首先在塑料塊表面創建一排特定帶有圖案的凹口，然後將含有石墨烯的液態溶液填充到凹口中。在溶液干後再放置一層膠帶貼在葉片上。Dong 表示，這種處理方式非常的簡單，而且製作成本也非常的低廉。科研團隊通過檢測這些條狀膠帶的導電性就能測量植物葉片所需要的水分，如果導電性越強，代表需要的水分更多。目前這項技術已經在穀物類植物上成功測試。