Все чаще овощи, фрукты, ягоды и цветы выращиваются не в открытом грунте, а в теплицах, больше напоминающих заводские ангары ― здесь растениям не страшны ни град, ни засуха, ни заморозки. Однако для того, чтобы компоненты для будущего салата зрели быстрее, фермеры должны очень внимательно следить за влажностью, температурой и светом. Растениям необходимо максимально компенсировать отсутствие естественного солнечного освещения.
Высокотехнологичные производства сельского хозяйства используют для этой цели светодиоды ― они потребляют мало энергии, очень ярко светят, их легко расположить в теплице. При этом для освещения используется розовый свет, который получается в результате одновременного использования синего и красного светодиодов. Нередко такие лампы можно увидеть и в городских квартирах, у любителей домашних растений.
«Специалисты, которые занимаются светофизиологией выяснили, что подобный свет не оптимален. Дело в том, что красный диод светит в области около 650 нанометров ― при этом спектр у него узкий, почти как у лазера. Между тем, растения поглощают как раз в широком спектре ― ведь когда мы выращиваем у себя на даче цветы, фрукты, ягоды, то на них светит солнце, и они получают полный спектр излучения ― ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный ― поэтому они хорошо растут. Более того, как выяснилось, растения лучше поглощают красный и инфракрасный свет не на длине волны в 650 нанометров, а на чуть большей, которая уже плохо видима человеком. Получается, что мы светим на растения удобным для человека светом, но не оптимальным для самих растений. Они не получают того ИК-излучения, которое им нужно», ― рассказывает ассистент факультета фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО Анастасия Бабкина.
Стекло с кристаллами внутри
Таким образом, необходимо найти материал, который можно было бы использовать в светодиодных лампах так, чтобы они светили в более широком спектре, включая ИК-диапазон. Эту задачу взялась решить группа ученых, в которую вошли специалисты Университета ИТМО и Томского государственного политехнического университета.
В классических красных светодиодах используются материалы на основе соединений с марганцем и европием. Именно микроскопические кристаллики этого химического элемента и заставляют диод излучать на длине волны около 650 нанометров, делая свет красным, а в соединении с излучением синего диода ― розовым. Более того, именно использование кристаллов делает спектр излучения узким.
«Мы решили взять не другой кристалл, а стеклокерамику, это промежуточный материал между стеклом и кристаллом, ― рассказывает Анастасия Бабкина, которая выступила руководителем научной группы. ― В чем разница? Кристаллы мы специальным образом растим, стекло же мы синтезируем методом варки, причем его можно производить много, быстро и придавать ему абсолютно любую форму. Минус стекла в том, что оно хрупкое. Поэтому мы берем стекло и начинаем медленно его кристаллизовать, чтобы оно не потеряло прозрачность. В результате мы получаем стекло с расположенными внутри него микроскопическими кристалликами, невидимыми глазу. При этом прочность материала увеличивается, а люминесцентные свойства улучшаются ― такой материал и называется стеклокерамикой».
Новый свет для растений
На стадии производства в стеклокерамику добавляется хром ― он придает материалу розоватый оттенок, который позволяет излучать как красный, так и инфракрасный свет одновременно.
Получившийся материал можно потенциально использовать двумя способами. Первый ― перемолоть его таким образом, что получатся микрочастицы. Их можно использовать при производстве нового вида светодиодов. Это открывает большие перспективы, но внедрение такой технологии требует больших денег и времени. Другой вариант ― сделать из получившегося стекла плафоны.
«Мы можем взять зеленые и синие светодиоды и просто использовать в качестве фильтров нашу стеклокерамику, чтобы получить излучение в широком спектре, включая ИК-область», ― поясняет Анастасия Бабкина.
Ученые уже создали образцы стеклокерамики, дальнейшим экспериментам пока препятствует пандемия коронавируса. Как надеются исследователи, после снятия ограничений удастся провести тесты, которые покажут, насколько серьезный эффект окажет на растения использование светильников с их материалом.
Статья: Anastasiia Babkina, Damir Valiev, Ksenia Zyryanova, Rustam Nuryev, Alexander Ignatiev, Ekaterina Kulpina, Natalia Kuzmenko, Anastasiya Osipova, Alexandra Koroleva, Natalia Platonova. Spectroscopic properties of chromium/antimony co-doped alkali-alumina-borate glass-ceramics. Optical Materials, 2020/10.1016/j.optmat.2020.109983
