JP2015510005A - 光合成有効放射を最適化するための組成物、デバイスおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2012年1月25日に出願された米国仮特許出願第61/590,726号明細書(その内容をあらゆる目的のためにここにおいて参照によって本願明細書に組み入れる)に対する優先権および利益を請求する。
量子閉じ込め材料は、一次元、二次元、または三次元量子閉じ込め機構を用いて表現されてもよい。これらの機構は、励起子の閉じ込めを示すボイド、欠陥、キャビティ、または固体ナノ構造物として表わされてもよい閉じ込め体積の空間的領域である。これらの性質を示す材料は、これらの要件を満たす体積構造物の単一ドット、粒子、および/またはマトリクスからなってもよい。
量子ドットは、それらのサイズに依存した発光性質を有する物質の部分である。それらは、量子閉じ込めのために発光する小さな、半導性粒子である。本発明は、光合成有効放射のために適している、青色発光スペクトルまたは赤色発光スペクトルを有する量子ドット、およびそれらの混合物の使用を考察する。いくつかの実施形態において、目標とされる植物の種に応じて、さらに別の発光スペクトルを有する量子ドットもまた、使用されてもよい(図6を参照)。本発明において利用される量子ドットは重金属を含有しなくてもよく、例えば、カドミウムを含有しない量子ドットであってもよい。これらの実施形態において、毒性を最小限に抑えて、量子ドット含有材料の使用および処分の実用性を高めてもよい。
元素同位体、置換原子、および空孔などの意図的に生じさせられた点欠陥は量子閉じ込め特性を示す場合がある。原子の二次元構造が、このような材料性質を生じさせるための機能性基体として利用されてもよい。例として、グラフェンを分子マトリクスに沿って特定の点において変化させて、このような効果を誘導してもよい。
また、様々な材料を使用して構成されてもよいナノスケールチューブ、棒状体、円錐体、結晶体、球、格子、井戸、およびキャビティなどの広範囲の構成によって量子閉じ込めを実現してもよい。これらの効果を生じさせるために利用される材料は、危険なまたは毒性の性質を有しない場合がある。
本発明において利用される量子閉じ込め材料は、光合成のために植物によって使用可能である光を放射するのがよい。最適な光合成のために適した光波長は、多数の因子に依存する場合がある。本明細書中で用いられるとき用語「光」は一般に、可視範囲にある電磁スペクトルの部分を指す。430nmの波長を放射する単色光および662nmの波長を放射する単色光は一般に、光合成のために適しているが、排他的にではない。植物中のクロロフィル、主な光吸収色素は、緑色光を吸収ではなく、反射する。クロロフィルによる光の吸収は430nmおよび662nmにおいて最大であり、緑色植物の最大光合成速度にほぼ相当する。本発明は、青色可視光線および赤色可視光線の放射を考察する。青色可視光線は約400〜500nmの範囲に相当する。本発明の一予測的実施形態は、400〜430nm、430〜470nm、および470〜500nmから選択される範囲の青色可視光線の放射を考察する。緑色植物について、青色範囲は450〜470nmである。470nmの青色発光波長を使用してもよい。赤色可視光線は、約600〜700nmの範囲に相当する。本発明の予測的実施形態は、600〜630nm、630〜670nm、および670〜700nmから選択される範囲の赤色可視光線の放射を考察する。大抵の緑色植物について、赤色範囲は650〜670nmである。662nmの赤色発光波長を使用してもよい(図6を参照)。
一般的には、光源によってこのように放射される光波長は、短波長側に変換され、すなわち、より短くされるか、または長波長側に変換され、すなわち、より長くされてもよい。人工光の下での植物の成長については、光源は任意のタイプであってもよい。金属ハロゲン化物、高圧ナトリウム、蛍光、白熱、および発光ダイオード(LED)光源を光源として使用してもよい。照明は完全にまたは部分的に人工照明であってもよく、さらに、完全または部分的な太陽光であってもよい。
一般的には、緑色光を吸収して光活性化されて赤色または青色光を放射する量子閉じ込め材料を選択してもよい。以下は、特定の、非限定的な実施例である。本発明は、本明細書に記載された所望の波長を放射する様々な量子閉じ込め材料の使用を考察する。
当該の量子閉じ込め材料は、さらなる部分との会合/脱会合などのさらなる能力を有するように官能化されてもよい。例えば、本発明の実施形態にわたって使用される量子閉じ込め材料は、それらの表面に結合した混和性を高める配位子をさらに含み、ポリマーと混合するのを促進し得る。
他の部分が量子閉じ込め材料混合物に含有されてもよい。これらの部分は溶剤、分散剤、および接着剤であってもよい。
当該の量子閉じ込め材料組成物がコーティングとして、すなわち、基材に適用される組成物として調製されてもよく、または基材自体に組み込まれてもよい。
当該デバイスは、表面上または表面内に配置された当該量子閉じ込め材料組成物を含み、当該材料を十分に活性化して光合成有効放射を放射することができる。いくつかの実施形態において、当該デバイスは、表面上または表面内に配置された量子閉じ込め材料組成物と、量子ドットを活性化することができる光源とを含む。いくつかの実施形態において、当該デバイスは、赤色光を放射し、第1の活性化波長によって活性化される量子ドット、青色光を放射し、第2の活性化波長によって活性化される量子ドットとを含む。これらのデバイスは量子ドットの使用に限定されず、任意の量子閉じ込め材料の使用を包含することができる。
当該デバイスの実施形態は様々な方法で構成されてもよい。例えば、当該デバイスは、自然光光源、人工光源、または光源の組合せと共に使用されてもよい。
組成物を製造する典型的な方法は、活性化波長の選択、発光波長の選択、および混合を含んでもよい。
デバイスの製造方法は、組成物および表面の選択、ならびに光源の選択を含んでもよい。
当該組成物を使用する方法には、本発明のデバイスを作製することが含まれるがそれらに限定されない。当該の量子閉じ込め材料組成物を表面上に様々な方法および構成において噴霧、はけ塗り、コート、混合、適用、または埋め込んでもよい。さらに、以下の実施例4に記載されるように、光が植物上または植物内に放射されるように当該組成物を使用してもよい。例えば、水と共に、例えば根または気孔を通して植物によって吸収されるのに適した燐光体ドットの調合物水溶液を調製してもよく、燐光体ドットが活性化されてPAR光が植物自体の内に放射されるようにする。したがって、本発明は、当該の量子閉じ込め材料と植物養分溶液との調合物を考察する。これは、耕園芸用途に特に適している場合がある。
当該デバイスを自然光源または人工光源と一緒に使用してもよく、本発明のいくつかの実施形態は人工光源を包含してもよいと考えられる。他の実施形態は、外部光源および/または自然日光に依拠する場合がある。
この予測的実施例は原色として青色光を提供し、より多くの植物質を提供することが、商用温室内での金属ハロゲン化物電球による数十年の成長によって示されている。
当該の量子閉じ込め材料調製物を20インチ×20インチ、および厚さ1mmのホウケイ酸塩シートに適用するが、当業者は、他のサイズを用いてもよいことを認識している。このサイズの面積のために、必要とされる量子閉じ込め材料調製物の量は、厚さ0.1mmの層に対して25.8mlである。例えば450nmの発光波長など、青色光を放射する980nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50.01〜99%w/wの量子閉じ込め材料調製物と、例えば650nmの発光波長など、赤色光を放射する300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する1.00〜49.99%w/wの量子閉じ込め材料調製物とを含有する調製物を均一に薄く広げる。
図6に示されるグラフに基づいて様々な異なった比を使用して、紫外線と赤外線の両方とも、使用されない放射線を捕捉して植物の成長のために使用可能な光に変換する量子閉じ込め材料照明源を作ってもよい。赤色光は、フィトクロームを植物の生殖期の基本要素、例えば、発芽、成長、花成、結実等を制御する生物学的に活性な形態に変化させるので、この予測的実施例は赤色光を提供する。
当該の量子閉じ込め材料調製物を20インチ×20インチ、および厚さ1mmのホウケイ酸塩シートに適用するが、当業者は、他のサイズを用いてもよいことを認識している。このサイズの面積のために、必要とされる量子閉じ込め材料調製物の量は、厚さ0.1mmの層に対して25.8mlである。例えば450nmの発光波長など、青色光を放射する980nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する1.0%〜49.99%w/wの量子閉じ込め材料調製物と、例えば650nmの発光波長など、赤色光を放射する300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50.01%〜99.0%w/wの量子閉じ込め材料調製物とを含有する調製物を均一に薄く広げる。
図6に示されるグラフに基づいて様々な異なった比を使用して、紫外線と赤外線の両方とも、使用されない放射線を捕捉して植物の成長のために使用可能な光に変換する量子閉じ込め材料照明源を作ることができる。この予測的実施例は、赤外線範囲の量子閉じ込め材料励起周波数を提供する。高圧ナトリウム電球はエネルギーを熱として消耗する。この熱は、4.3um範囲にあるH2Oの励起周波数に近い、近赤外域の上にある。
当該の量子閉じ込め材料調製物を20インチ×20インチ、および厚さ1mmのホウケイ酸塩シートに適用するが、当業者は、他のサイズを用いてもよいことを認識している。このサイズの面積のために、必要とされる量子閉じ込め材料調製物の量は、厚さ0.1mmの層に対して25.8mlである。例えば450nmの発光波長など、青色光を放射する、980nm、または300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50%w/wの量子閉じ込め材料調製物と、例えば650nmの放射など、赤色光を放射する300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50%w/wの量子閉じ込め材料調製物とを含有する調製物を均一に薄く広げる。
この予測的実施例は、園芸目的に一般的に使用される商用銘柄高圧ナトリウム光に対して本発明の使用による位置エネルギーの節約を比較する。
植物上でまたは植物内で使用するために、水可溶性量子閉じ込め材料が特に重要である。例えば、量子閉じ込め材料を植物体循環に入らせて、植物体循環内でまたは植物細胞内で光をin situ変換しようとしてもよい。このような量子閉じ込め材料組成物による植物表面のコーティングが望ましい場合がある。植物のタイプおよび植物の最終用途に応じて、この目的のために無毒性材料が望ましい場合がある。
本発明は、光合成有効放射を放射する当該の量子閉じ込め材料上にコートされるかまたは中に埋め込まれた組成物を有する透明な表面を含む、上に規定されたような窓を包含してもよい。透明な表面は、様々な組成物からなってもよいが、典型的には、石英ガラス、カーボンポリマー、セラミック、またはそれらの任意の組み合わせを含む。また、本発明は、当該窓を有する建築構造物、例えば建造物、および特定の実施形態において、上に規定されたような温室を含んでもよい。窓についておよび日光に依拠して、当該の量子閉じ込め材料は、日光によって−励起波長−活性化されるのがよい。
Claims (23)
- (a)300nm〜545nmの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料と、
(b)545nm〜750nmの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料とを含むことを特徴とする組成物。 - 請求項1に記載の組成物において、(a)部分の前記量子閉じ込め材料が、300nmの励起波長および477nmの発光波長を有する20〜50nmのツリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドからなることを特徴とする組成物。
- 請求項2に記載の組成物において、(a)部分の前記量子閉じ込め材料が、<0.7mg/mlポリビニルピロリドンを含有する溶剤中にあることを特徴とする組成物。
- 請求項1に記載の組成物において、(b)部分の前記量子閉じ込め材料が、
(a)300nmの励起波長および620nmの発光波長を有する20〜50nmのユウロピウムドープトバナジン酸イットリウムコロイド、
(b)350nmの励起波長および617nmの発光波長を有する10nmのユウロピウムドープトバナジン酸イットリウムコロイド、
(c)300nmの励起波長および650nmの発光波長を有する10〜50nmのサマリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイド、
(d)980nmの励起波長および545nmの発光波長を有する25nmのNaYF4:YBErコロイド、および
(e)量子閉じ込め活性領域を可能にする点欠陥を有するグラフェン原子層のなかから選択される組成物からなることを特徴とする組成物。 - 請求項4に記載の組成物において、300nmの励起波長および620nmの発光波長を有する前記20〜50nmのユウロピウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドが、<0.7mg/mlポリビニルピロリドンの溶剤中にあることを特徴とする組成物。
- 請求項4に記載の組成物において、350nmの励起波長および617nmの発光波長を有する前記10nmのユウロピウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドが、H2Oの溶剤中にあることを特徴とする組成物。
- 請求項4に記載の組成物において、300nmの励起波長および650nmの発光波長を有する前記10〜50nmのサマリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドが、前記サマリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドが10nmである場合、微量のクエン酸塩を含有する水溶液中にあり、前記サマリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドが50nmである場合、0.7mg/ml未満のポリビニルピロリドンの溶液中にあることを特徴とする組成物。
- 請求項4に記載の組成物において、980nmの励起波長および545nmの発光波長を有する前記25nmのNaYF4:YBErコロイドが、ヘキサンを含有する溶剤中にあることを特徴とする組成物。
- 請求項1に記載の組成物において、溶剤および接着剤のなかから選択される部分をさらに含むことを特徴とする組成物。
- 請求項9に記載の組成物において、前記溶剤が水、ポリビニルピロリドン、およびヘキサンのなかから選択されることを特徴とする組成物。
- 請求項9に記載の組成物において、前記接着剤が、嫌気性接着剤、シアノアクリレート接着剤、エポキシ、構造用アクリル、および紫外線硬化性接着剤のなかから選択されることを特徴とする組成物。
- 請求項9に記載の組成物において、透明な固体材料上にコートされるか、透明な固体材料中に埋め込まれる、の少なくとも1つであることを特徴とする組成物。
- 請求項12に記載の組成物において、前記透明な固体材料が石英ガラス、カーボンポリマー、およびセラミックの少なくとも1つを含むことを特徴とする組成物。
- (a)青色光を放射する980nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50.01%〜99%w/wの量子閉じ込め材料調製物と、
(b)赤色光を放射する300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する1.00%〜49.99%w/wの量子閉じ込め材料調製物とを含むことを特徴とする組成物。 - (a)青色光を放射する980nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する1.0%〜49.99%w/wの量子閉じ込め材料調製物と、
(b)赤色光を放射する300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50.01%〜99.0%w/wの量子閉じ込め材料調製物とを含むことを特徴とする組成物。 - (a)青色光を放射する980nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50%w/wの量子閉じ込め材料調製物と、
(b)赤色光を放射する300nmの励起波長を有する、10mg/ml溶剤の濃度を有する50%w/wの量子閉じ込め材料調製物とを含むことを特徴とする組成物。 - (a)石英ガラス、カーボンポリマー、およびセラミックの少なくとも1つから選択される材料を含む透明な表面と、
(b)組成物において、組成物が前記透明な表面上にコートされるか前記透明な表面に埋め込まれる、の少なくとも1つであり、
(i)300nmの励起波長および477nmの発光波長を有する20〜50nmのツリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドのなかから選択される材料からなる300nm〜545nmの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料と、
(ii)
i. 300nmの励起波長および620nmの発光波長を有する20〜50nmのユウロピウムドープトバナジン酸イットリウムコロイド、
ii. 350nmの励起波長および617nmの発光波長を有する10nmのユウロピウムドープトバナジン酸イットリウムコロイド、
iii. 300nmの励起波長および650nmの発光波長を有する10〜50nmのサマリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイド、
iv. 980nmの励起波長および545nmの発光波長を有する25nmのNaYF4:YBErコロイド、および
v. 量子閉じ込め活性領域を可能にする点欠陥を有するグラフェン原子層、のなかから選択される材料からなる545nm〜750nmの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料とを含む組成物と、を含むこと特徴とするデバイス。 - 請求項17に記載のデバイスにおいて、溶剤および接着剤の少なくとも1つをさらに含むことを特徴とするデバイス。
- 請求項18に記載のデバイスにおいて、1つまたは複数の付加的な透明な表面をさらに含むことを特徴とするデバイス。
- 請求項19に記載のデバイスにおいて、前記透明な表面が、前記1つまたは複数の付加的な透明な表面の少なくとも1つに少なくとも部分的に付着されることを特徴とするデバイス。
- 請求項18に記載のデバイスにおいて、少なくとも1つ光源をさらに含むことを特徴とするデバイス。
- 請求項21に記載のデバイスにおいて、前記少なくとも1つ光源が、金属ハロゲン化物電球、高圧ナトリウム電球、蛍光電球、白熱電球、電場誘起ポリマーエレクトロルミネセンス(FIPEL)、および発光ダイオード(LED)からなることを特徴とするデバイス。
- 請求項18に記載のデバイスにおいて、前記透明な表面がケースメントかサッシの少なくとも1つによって囲まれることを特徴とするデバイス。
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