中国制造2025系列M之七：农业机械装备

2018-11-04

人造光合作用 (Artificial photosynthesis, AP) 旨在以海洋甚至河流中的水为原料，在阳光的参与下分解成氢、氧和有机物。目前已有电动汽车使用 AP 供氧的燃料电池，同样的技术还可用来储存太阳能。液氢等液体燃料与电池相比具有明显的优势，前者重量更轻，体积更小。AP 的产物也可用来产生甲醇，供内燃机使用。整体来说，将其利用在新能源领域的附加值会更高些！

不过，AP 反应略经改造也可与细菌代谢工程配合制造产氮细菌，这种技术可以在无需常规施肥的情况下在土壤中产生氮肥，提高农作物产量。这些细菌能够吸收 AP 产生的氢气，并用它来生产一系列产物，包括药物、化肥、燃料和塑料等。

而 AP 面临的主要挑战是自然界的光合作用效率低下，植物只能将约 1% 的碳和水转化为碳水化合物。不过实验室中的效率已经提高到约 10%，在澳大利亚 Melbourne、Monash 大学的研究人员甚至将转化率提高到了 22%。

Ref.:

宫非：高大上系列L之廿三：?墨烯三明治结构解决光解?制氢难题?

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宫非：高大上系列L之廿五：石墨烯用来提高肥料的效率?

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2018-11-02

农业机械装备是提高农业生产效率、实现资源有效利用、推动农业可持续发展的不可或缺工具，对保障国家粮食安全、促进农业增产增效、改变农民增收方式和推动农村发展起著非常重要的作用。作为装备制造业当中与农业密切相关的行业，国家为农机工业提供了持续走强的政策体系，并实施稳定的财税支持，这一切使得我国农机工业的综合实力得以快速提升，农机工业生产总值、销售收入、利润总额、进出口贸易额连续多年增幅均在 20% 以上，目前经济总量已居世界前列。拖拉机、联合收割机、植保机械、农用水泵等产品产量居世界第一位。当前，我国正处在工业化、城镇化和农业现代化加快发展的重要阶段，农机产品的国内需求仍处于快速增长期。农业现代化和农业产业化进程的加快，为农机产业提供了广阔的发展空间。但我国农业机械装备领域与发达工业国家相比还有较大的提升空间。我国农业机械装备制造业要以国家实施的「中国制造 2025」、「一带一路」战略为契机，培育核心竞争力，通过创新实现突破，通过产业结构优化实现适应经济新常态的战略性调整，为行业注入新的能量，实现由制造大国到制造强国的跨越。

真要提到石墨烯应用在"智能装备"上的应用，其实跟其它像电子信息及高档数控机床、机器人的内容是大同小异的，今天我们换个角度，分别来谈「GPS「及」石墨烯与农业有何关联？「首先，GPS 为何可以跟石墨烯挂钩上呢？且听我娓娓道来！我在以前一篇文章曾回答：富勒烯为何能够使 GPS 导航系统精准到 1 毫米？

首先，我们先来了解一下 GPS 的原理。全球定位系统可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的 24 颗 GPS 卫星；地面上 1 个主控站、3 个数据注入站和 5 个监测站及作为用户端的 GPS 接收机。最少只需其中 3 颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。由于 GPS 无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用GPS 对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差 (即 SA 政策，Selective Availability) 以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在 100 米左右；军规的精度在 10 米以下。2000 年以后，柯林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用 GPS 也可以达到 10 米左右的定位精度。

在 GPS 的测量上，我们测的是」无线信号」，假设卫星在 11,000 英哩高处，速度几乎达 186,000 千英哩/Sec 的光速，而时间却短的惊人，甚至只要 0.06 秒，所以导航定位与」时间」的精度密切相关。时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从 11,000 英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从此」延迟的时间╳速度」，就是接收器到卫星的距离，此即为 GPS 的基本定位原理。

Kyriakos Porfyrakis 博士的意思是将高精度的氮内嵌富勒烯原子钟内嵌到手机里面当作」接收器」，可能会将手机的 GPS 导航精确到1 毫米。有关这点我存疑的是，「原子钟」的确是用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号，1974 年以后，GPS 卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到 10^-12/秒，误差 8m。1977 年，BOKCK II 型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到 10^-13/秒，误差则降为 2.9m。1981 年，休斯公司研制的相对稳定频率为 10^-14/秒的氢原子钟使 BLOCK IIR型卫星误差仅为 1m。以这个比例要达到 0 .1 公厘，相对频率稳定度达到 10^-24/秒，相信对富勒烯的挑战度是很高的。

导航都依赖「原子钟」，因为只有原子钟能够在足够小的体积内实现优于 1 纳秒的精度。但现在的导航卫星，无论是 GPS 还是北斗，都使用普通原子钟，也可以称为「热原子钟」(相对冷原子钟而言)。其基本原理是利用特殊原子 (例如氢原子、铷原子、铯原子) 的某个特定跃迁频率，这个频率有极高的稳定性，精度可以到皮秒甚至飞秒，但原子的这个跃迁频率不能直接用，需要通过电磁波与原子相互作用，间接地用电磁波把这个频率导出来，这是原子钟的基本原理。Kyriakos Porfyrakis 博士系利用富勒烯像「笼子」般的特质，采用富勒烯是一种不同于「激光囚禁」的方法，即直接把原子放在富勒烯结构中，我们都知道富勒烯结构就是个笼子，关在笼子里，原子就不会到处乱跑了，从而实现了「冷却」。另外，商用卫星讯号别想要多准，这些所谓的「准」，并不是真的准，而是靠导航软体运算出「最合理的位置」，花那么大工夫却可以用「软体」来修正，那还需要那么贵的富勒烯做什么！

先撇开修正的问题不谈，石墨烯当然无法像富勒烯般有个笼子结构，但换个角度问，石墨烯难道就不能 GPS 有瓜葛吗？事实上还是有机会的，这可要从二方面去谈，一是「微波」、二是「光量子通信」开始说起。微波 (Microwave) 是指波长介于红外线和特高频 (UHF) 之间的射频电磁波，因为有较宽的频谱 (300MHz-300GHz)，且可穿过对流层和电离层，在无线通信上占有非常重要的位置。近廿年来，微波的服务领域不断扩大，从军方雷达、飞机、ADS 射线武器，到民间的微波炉、手机通信、无线通信、GPS、感测器等，均有广泛的应用。

「低杂讯微波放大器」主要用于通信系统中，将接收自天线的信号放大，以便后级的电子设备去做处理。信号在放大时，并不希望连同杂讯也跟著放大，所以杂讯比对放大器来说非常重要。石墨烯是 XY 二维平面 sp2 键结的结构，电子在传输时，较不易受到晶格本身的散射，具有较长的平均自由路径，呈现"弹道传输" (Ballistic transport)，适合拿来制作低杂讯放大器。另外，像混波器、倍频器、晶体管等主动元件，及电阻、电容等被动元件，我们都已经有了初步的成果。

石墨烯电子器件：软基板上之高频混频器

最近，石墨烯也跟「超导」画上了等号，只能说石墨烯惊奇之旅还会继续下去，科学家也会持续不断地找出更多应用场景。接著，我们来谈「光量子通信」。光量子通信主要基于「量子纠缠态」的理论，使用量子隐形传态(传输) 的方式实现信息传递。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间发生坍塌变化。「坍塌变化」为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌变化后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换 (相当于逆转变换)，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

不说各位可能还不知道，石墨烯也能跟「量子计算机」有所关联。经典的电子自旋可以理解为电子绕自身轴旋转而产生的「磁性体」。同时，电子绕原子核旋转，产生循环「电流」和「磁场」。「磁性体」和磁场之间发生相互作用，即「自旋轨道耦合」。石墨烯自身的自旋轨道耦合可忽略不计，而金的自旋轨道耦合则非常强。金和石墨烯的相互作用使后者自旋轨道耦合增强，钴对石墨烯的磁化也是如此。磁性自旋轨道石墨烯可应用于「量子计算机」领域，现在量子计算的信息元素 (量子位) 主要是在」冷原子」或」超导跃迁」中制成的，「速度」仍然是量子计算机原型机面临的主要问题。这是由于与外部环境的交互作用，量子位来不及完成所需频次的操作并保存计算结果，而基于新的「量子」材料，如磁性自旋轨道石墨烯，制出」量子位」可成为该问题的解决方案之一。接下来，通过扭曲的「双层石墨烯」可作为一个灵活和可调谐的平台，使得其中相关的电子现象可以很容易观察到，甚至可能被设计在「冷原子」这个议题上，这样就可以做成「冷原子钟」也说不定！

谈完了上面这些所谓的「高大上」技术，我们也来谈谈一些「接地气」技术。几年前我对石墨烯应用在现代农业的想法是较缺乏的，那时候只想到～农业大棚 (高分子)、包装保鲜膜 (抗菌) 及电热膜 (薄膜)，最近开始研究「光合作用」！

光合作用是一个光生物化学反应，所以光合作用随著光照强度的增减而增减。在暗中叶片不进行光合作用，而呼吸作用不断释放 CO2，随著光强的增高，光和速率逐渐增强，逐渐接近呼吸速率，当到达某一光强时，叶片的光合速率等于呼吸速率，即 CO2 吸收量等于 CO2 释放量，表观「光合速率」为零，这时的光强称为「光补偿点」。植物在光补偿点时，有机物的形成和消耗相等，不能积累干物质，而晚间还要消耗干物质，因此从全天看植物所需的最低光照强度，必须高于光补偿点，才能使植物正常生长。当光照强度在光补偿点以上继续增加时，光合速率就成比率的增加，产生的有机物用于植物的生长。农作物作为生态系统中的重要生产者为其他物种提供食物，并利用光合作用固定二氧化碳。"高发芽率"是高产量的先决条件，许多研究表明，纳米颗粒和碳纳米管可以通过进入种子提高种皮的穿透性并促进水通道蛋白的表达，最终提高农作物的发芽率。但该作用机理可能导致纳米材料在作物中积累，从而带来食品安全问题。 (有关这段内容是作者的猜测，其实是错误的！)

Huang 等人 (2018) 成功合成了 14C 标记的少数层石墨烯，同位素标记法可以实现对石墨烯在植物中的追踪和量化。水培时，无天然有机物的实验组，随著种植时间的增加，作物中石墨烯的含量急剧下降。对种植土壤中石墨烯的含量进行检测，少于 15% 的植物中的石墨烯的积累量释放到了土壤中。对土壤中石墨烯的降解进行检测，结果表明，90 天后，仍有约 84.3% 的石墨烯留存在土壤中。所以植物释放到土壤中的石墨烯的量的确很少，而非是石墨烯在土壤中降解而无法检测到，而大部分的石墨烯则主要以「降解」的方式流失。对水稻果实进行石墨烯含量的检测，并未检测到石墨烯的存在。此工作利用同位素标记的方法首次探究了石墨烯在植物中的积累和转移，并证明了石墨烯虽然会被植物吸收，但是并不会在水稻果实中有所积累，所以不会被人类所食用。

另外，2017 年清华大学的朱宏伟教授成功利用氧化石墨烯收集、运输水分的特性提高菠菜和香葱的发芽率。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团，因而可以溶解于很多溶剂中拓宽其应用范围。利用氧化石墨烯水溶液浇灌的土壤种植菠菜和香葱可以达到早发芽、多发芽的效果，且培育的菠菜生长速度快。对植物根表面及内部细胞的表征并未发现氧化石墨烯片的粘附和侵入，从而确保了氧化石墨烯的无毒性。氧化石墨烯可以促进农作物发芽主要是由于表面的 sp3-sp2 共混结构发挥了重要作用。含氧官能团结构 (sp3) 具有极强的亲水性，起到收集水、土壤保湿的作用。原有的石墨烯碳结构 (sp2) 具有疏水性能，可以实现水的超快传输，为作物的生长提供水分。

(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.

植物的生长离不开水，但不同的植物对于水分的需求也是不同的，那么日常培育过程中如何才能有效地掌握这个度呢？这往往需要他人的传授或者积累的经验，不过来自爱荷华州立大学的科研专家找到了全新的方法，利用石墨烯制成的条状湿度感测器，附著在叶片上就能知道需要多少水分。该项目由 Liang Dong 教授带队，首先在塑料块表面创建一排特定带有图案的凹口，然后将含有石墨烯的液态溶液填充到凹口中。在溶液干后再放置一层胶带贴在叶片上。Dong 表示，这种处理方式非常的简单，而且制作成本也非常的低廉。科研团队通过检测这些条状胶带的导电性就能测量植物叶片所需要的水分，如果导电性越强，代表需要的水分更多。目前这项技术已经在谷物类植物上成功测试。