4. Bố cục của khóa luận
1.3 Vai trò của ánh sáng trong sự phát triển, sinh trưởng của cây
Ánh sáng là nguồn năng lượng lớn nhất của Trái đất, một yếu tố sinh thái có vai trò quan trọng đối với các cơ thể sống. Ánh sáng vừa là nguồn cung cấp năng lượng cho thực vật tiến hành quang hợp, vừa điều kiển chu trình sống của sinh vật. Đối với mỗi loại cây trồng sẽ có những tia sáng có bước sóng nhất định ảnh hưởng đến quang hợp và qua đó ảnh hưởng đến việc tổng hợp chất hữu cơ. Tùy theo chất lượng và cường độ của ánh sáng mà tác động của nó đến quá trình trao đổi chất và năng lượng cùng nhiều quá trình sinh lý của các cơ thể sống sẽ khác nhau. Ngoài ra ánh sáng còn ảnh hưởng nhiều đến các nhân tố sinh thái khác như độ ẩm, nhiệt độ, địa hình và không khí đất.
Phần ánh sáng chiếu xuống mặt đất bao gồm hai phần. Phần thứ nhất là ánh sáng trực xạ (ánh sáng mặt trời) chiếm 63%; phần thứ hai là ánh sáng tán xạ chiếm 37% bao gồm: ánh sáng bị bụi, hơi nước khuếch tán. Do độ cong của bề mặt Trái đất và độ lệch trục của Trái đất so với mặt phang quỹ đạo quay của nó quay xung quanh mặt trời vì vậy lượng ánh sáng phân bố trên bề mặt Trái đất không đồng đều. Do vậy nguồn năng lượng bức xạ ở các vùng nhiệt đới nhận được lớn gấp 5 lần so với vùng cực. Càng lên cao cường độ ánh sáng càng mạnh hơn vùng thấp. Mặt khác, ánh sáng còn thay đổi theo thời gian trong năm, ở các cực của Trái Đất mùa hè chiếu sáng liên tục, mùa đông không có ánh sáng, ở vùng ôn đới có mùa đông ngày ngắn còn mùa hè ngày kéo dài. Độ dài ngày càng giảm khi càng tiến về phía xích đạo.
Cây xanh hấp thụ một phần ánh sáng mặt trời, một phần tận dụng nguồn năng lượng sinh ra trong quá trình quang hợp tạo thành các hợp chất hữu cơ giàu năng lượng. Phương trình tổng quát của quang hợp được biểu diễn như sau:
6CƠ, + 6H2Ơ^>C6H12Ỡ6 + 6Ơ2 + 686KCỈO / moỉ
Trong điều kiện tự nhiên, trung bình một lá cây hấp thu 70% và 20% còn lại truyền lan qua các lớp tế bào lá xuống dưới và phản xạ 10% các tia sáng. Trong số 70% ánh sáng hấp thụ, cây xanh sử dụng 49% năng lượng dùng để thoát hơi nước, 20% lá sẽ bức xạ lại và chỉ sử dụng 1% cho quá trình quang hợp (chủ yếu là các tia sáng xanh và đỏ). Vì vậy, có thể nhận thấy bước sóng có lợi cho quang hợp của cây là ánh sáng màu xanh có bước sóng từ 430 4- 490 nm và ánh sáng màu đỏ có bước sóng từ 630 4- 720 nm.
Trong quá trình quang hợp, thực vật tham gia hai nhóm sắc tố là diệp lục (chlorophyll) và carotenoid. Trong đó, diệp lục là sắc tố chính có vai trò quan trọng nhất trong quang hợp. Với chức năng hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển nó thành dạng năng lượng kích thích điện tử của phân tử diệp lục. Mặt khác, diệp lục có vai trò vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng, từ phân tử diệp lục hấp thu ánh sáng đầu tiên cho đến trung tâm phản ứng của quang hợp là phải qua một hệ thống cấu trúc trong màng thilacoit gồm rất nhiều phân tử diệp lục khác nhau. Năng lượng ánh sáng phải truyền qua các phân tử diệp lục để đến được trung tâm phản ứng (P700). Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học tại trung tâm phản ứng P700 nhờ quá trình quang phosphoryl hóa để hình thành nên NADPH và ATP. Ngoài ra, diệp lục còn có khả năng hấp thụ ánh sáng một cách có chọn lọc, một số vùng ánh sáng được diệp lục hấp thụ mạnh nhất, một số vùng bị hấp thụ ít hơn, và có vùng thì hầu như không bị hấp thụ. Điều này đã tạo nên quang phổ hấp thụ của diệp lục. Trong quang phổ hấp thụ của diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thụ mạnh nhất đó là vùng ánh sáng đỏ với cực đại là 662 nm và vùng ánh sáng xanh tím với cực đại là 430 nm. Điều này đã tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại quang phổ của diệp lục. Nhóm sắc tố carotenoid là nhóm sắc tố có màu vàng, da cam. Chúng là các sắc tố vệ
tinh của diệp lục. Quang phổ hấp thụ của nhóm sắc tố này là ở vùng ánh sáng xanh có bước sóng 451 V 481 nm. Khả năng hấp thụ ánh sáng của carotenoỉd là do hệ thống các liên kết đôi, đơn quyết định. Ánh sáng xanh lá cây không được diệp lục hấp thụ mà phản xạ toàn bộ nên ta thường quan sát thấy lá cây có màu xanh.
450 500 550 600 650 700 750 Bước sóng (lìm) và màu sác tương ứng
Hình 1,5 Độ hẩp thụ cửa các nhóm sắc tể quang hợp tương ứng vởì các bước sổng khác nhau
Vì vậy việc cho ra đời loại đèn với cường độ sáng phù hợp cho từng loại cây trồng, và đứng các bước sóng phổ mà cây dùng để quang hợp là hết sức cần thiết. Việc còn lại của chúng ta là tự điều tiết thời gian chiếu sáng sao cho phù hợp với đặc tính quang chu kỳ của cây. Nhờ vậy, chúng ta sẽ thu được năng suất cây trồng cao, không còn bị lệ thuộc quá nhiều vào ánh sáng tự nhiên mang tỉnh mùa vụ, ngược lại để tổi ưu hóa bài toán kỉnh tế cho nông nghiệp chứng ta hoàn toàn có thể điều tỉết cho cây theo thời vụ mà mình đã định ra.
1.4 ứng dụng của đèn huỳnh quang trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giói
Trên thế giới, các nhà khoa học đã chứng minh được vai trò quan trọng của ánh sáng và hệ thống chiếu sáng thông minh trong quá trình phát triển của cây trồng. Việc cho ra đời nhiều nghiên cứu về ứng dụng đèn LED trong nông nghiệp, cũng như đối với các loại cây trồng đang được đánh giá cao. Tại Anh, trung tâm công nghệ Stocbridge đã nghiên cứu thành công và hiện tại đang cố gắng đưa vào để ứng dụng rộng rãi đèn LED trong nông nghiệp với mục tiêu chủ động điều khiển sự phát triển của cây trồng, ngăn cản sự phụ thuộc của chúng vào thời tiết.
Tại Nhật Bản, các trang trại trồng rau sạch trong nhà đang được phát triển mạnh. Tại các nhà máy ở Fukushima, công ty Fujitsu đã cho tiến hành chiếu sáng nhân tạo sử dụng hoàn toàn các loại đèn LED xanh đỏ cho cây rau diếp với hệ thống cây thủy canh nhiều tầng. Hiệu quả đem lại ngoài việc tăng năng suất và chất lượng cây rau sạch được nâng cao, hệ thống trang trại khép kín này còn giúp tăng sản lượng trên mỗi đơn vị diện tích và có thể sản xuất ngay trong đô thị, giảm được chi phí vận chuyển từ nơi trồng trọt đến nơi tiêu thụ.
Hình 1.6 Trang trại rau diếp Tagajo sử dụng công nghệ đèn LED
Tại Singapore, cây rau được chiếu sáng bằng đèn LED màu hồng tím. Trang trại trồng rau với mô hình khép kín như một nhà máy có thể điều khiển
được các điều kiện của môi trường như khí hậu, nước và dinh dường. Hãng Panasonic đã lên kế hoạch trồng hon 30 loại rau củ cho đến tháng 3/2017 đã đáp ứng khoảng 5% nhu cầu tiêu dùng tại Singapore; và chi phí giảm Vì so với việc nhập khẩu từ Nhật Bản.
Các hãng Osram, Philips cũng tiến hành thử nghiệm trồng cà chua, rau sạch sử dụng hệ thống chiếu sáng bằng LED với quy mô lớn trong nông nghiệp công nghệ cao.
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trên thế giới các nghiên cứu về tác động của ánh sáng đối với cây trồng đã chỉ ra vai trò to lớn của ánh sáng và việc cải tiến công nghệ chiếu sáng cho cây trồng. Tại Việt Nam, các loại nghiên cứu này cũng đang được quan tâm nhằm phục vụ cho nông nghiệp công nghệ cao.
Công ty Cổ phần bóng đèn phích nước Rạng Đông, Viện Sinh học Nông nghiệp trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ AIST- trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là các đon vị tiên phong trong công cuộc nghiên cứu các giải pháp chiếu sáng cho cây trồng. Nhóm nghiên cứu kết hợp của ba đon vị đã tiến hành nghiên cứu tìm ra quy trình sản xuất loại bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ, đỏ xa và xanh phù hợp với yêu cầu và các giải pháp làm tăng hiệu suất chiếu sáng của đèn [6]. Năm 2012, GS-TS Nguyễn Quang Thạch và cộng sự tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu tác động của đèn chiếu sáng (đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang R/B, đèn HID, đèn CFLR) cho cây hoa cúc ở vườn nhân giống và các vườn sản xuất cây thưong phẩm. Kết quả cho thấy, chiếu sáng bổ sung có ảnh hưởng rất tích cực như: số ngày thu hoạch giảm, lượng ngọn tăng 4 lần so với không chiếu sáng bổ sung,...Trong các loại đèn chiếu sáng, đèn HID cho hiệu quả cao nhất: số ngọn trung bình thu được cao nhất, số ngày giữa 2 lần cắt ngọn ngắn nhất, tiêu hao điện năng thấp nhất (giảm 71% so với dùng đèn sợi đốt).
Hình 1.7 Rau trồng trong nhà chiểu sáng bằng đèn LED
Tại Đà Lạt và cần Thơ, hệ thống trồng rau sạch sử dụng đèn LED với các tỷ lệ ánh sáng xanh, đỏ khác nhau đã đuợc thủ nghiệm. Ket quả cho thấy năng suất, chất luợng rau cao hơn hẳn so với việc sủ dụng đèn huỳnh quang thông thuờng, trong khi điện năng tiêu thụ giảm đến 60%. Một số cơ sở trồng thanh long ở các tỉnh phía Nam nuớc ta cũng đã thủ nghiệm đèn LED chiếu sáng kích thích ra hoa trái vụ nhằm giải quyết các bài toán về kinh tế.
Hình 1.8 Sử dụng bóng đèn LED cho vườn cây thanh long
Đèn LED có khả năng ứng dụng cao với các ưu điểm vượt trội như: tăng năng suất, giảm giá thành trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, giảm sử dụng hormon tăng trưởng kích thích cây trồng. Ngoài ra, một số nghiên cứu cho thấy đèn LED còn có thể giảm hoặc hạn chế việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật cho cây trồng; người nông dân không còn phải tiếp xúc hóa chất độc hại. Hơn thế nữa, đèn LED ít sinh nhiệt chiếu sáng tới cây trồng
nên giảm hiện tượng bốc hơi và sẽ cần ít phân bón hơn. Việc giảm sử dụng hormon tăng trưởng, thuốc bảo vệ thực vật và phân bón trong các không gian gỉớỉ hạn (nhà kính, nhà màng và trồng cây trong nhà kín) sẽ tạo môi trường trong lành hơn cho người lao động nông nghiệp. Không chỉ trong nông nghiệp, những ứng dụng đèn LED trong chăn nuôi, nuôi trồng, đánh bắt thủy sản bước đầu cũng đã cho kết quả khả quan, hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả tốt cả về tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất, đem lại hiệu quả kỉnh tế cao.
1.5 Một số phương pháp tổng họp vật liệu huỳnh quang 1.5.1 Phương pháp thủy nhiệt
Hiện nay phương pháp thủy nhiệt đã trở thành một phương pháp hết sức quan trọng trong lĩnh vực vật liệu. Cùng với các phương pháp chế tạo vật lý khác như phún xạ catốt, bốc bay vật lý... phương pháp thủy nhiệt đã dần trở nên phổ biến do yêu cầu trang thiết bị thí nghiệm đơn gia và khả năng linh hoạt trong chế tạo các loại vật liệu khác nhau.
Bản chất của phương pháp thủy nhiệt là quá trình hình thành mẫu diễn ra ngay trong dung dịch có nước tham gia với vai trò của chất xúc tác, xảy ra ở nhiệt độ cao (> 100 °C), áp suất lớn (> latm) và trong hệ kín (Hình 1.9).
Hình 1,9 Thiết bị dừng trong công nghệ thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp hóa học hiệu quả để chế tạo vật liệu với kích thước tinh thể nhỏ cỡ micro đến nano mét. Phương pháp này tiết kiệm năng lượng, không gây hại môi trường vì phản ứng được tiến hành trong một hệ phản ứng kín.
ưu điểm của phương pháp này là độ phân tán cao của các hạt nano có kích thước đồng đều, độ kết tinh cao dễ dàng kiểm soát được kích thước hạt, cấu trúc hình thái cũng như độ chọn lọc và ít khuyết tật, với tốc độ phản ứng nhanh. Tuy nhiên, phương pháp này lại không phù hợp để điều chế được các chất không phân cực do điều kiện về áp suất và nhiệt độ, nên các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra hướng phát triển khác là thay thế dung môi không phải là nước.
Temperature (°C)
Hình 1.10 Điều kiện tổng hợp (áp suất, nhiệt độ) cho một số phương pháp chế tạo vật liệu
21
Thiêu kết/ điều chế bằng các phương pháp khác ... Vật chất ban đẩu
Phương pháp thúy nhiệt
Hình 1.11 Mức độ phân tán và đồng đều của vật liệu khi được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt và các phương pháp khác [21]
1.5.2 Phương pháp Sol-Gel
Phương pháp Sol-gel được ra đời từ những năm 1950-1960 và được phát triển một cách nhanh chóng sau đó. Phương pháp Sol-Gel theo con đường tạo phức lần đần tiên được biết đến vào năm 1967 qua bằng sáng chế của M.p. Pecchini [3] với việc sử dụng citric acid làm tác nhân tạo sol. Tuy nhiên sau đó bài báo này bị lãng quên một thời gian dài. Năm 1987, khi nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn, Bednorg và Mủller cần tổng hợp ra vật liệu đơn pha có độ tinh khiết hóa học cao. Hai tác giả này nhận thấy với phương pháp sol-gel alkoxide của Cu rất khó điều chế và dễ bị thủy phân. Bởi vậy hai ông đã quan tâm đến bái báo của Pecchini. Ngày nay, phương pháp Sol-Gel citrat được quan tâm nghiên cứu nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, Tây Ban Nha và Braxin... [3].