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
３００ｎｍ〜５４５ｎｍの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料と、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を利用することによって光合成有効放射を最適化するための組成物、デバイス、および方法であり、そこで組成物は、１つまたは複数の透明な表面に埋め込まれおよび／または上にコートされてもよい。【選択図】図１
Description
関連出願の相互参照
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。
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。
本発明は一般にナノ材料に関し、そして、いくつかの態様において、スペクトル発光のためのデバイスと共に使用するためのナノ材料に関する。他の態様において、本発明は、ナノスケール量子閉じ込め材料、組成物、デバイス、および方法に関する。特定の実施形態において、本発明は、電磁波エネルギーを光合成プロセスのために最適化された光波長に変換するための組成物、デバイス、および方法に関する。
植物の成長のための人工照明はエネルギー集約型であってもよい。従来の光源は、可視光線および非可視光線の広い範囲の電磁スペクトルを放射するが、このスペクトルの一部だけが光合成に関係している。したがって、植物の成長のために、照明源によって供給されるエネルギーの大半はこれらの最適化されないスペクトル放射で消費される。点火のためのエネルギーを必要とする、例えば高圧ナトリウム（ＨＰＳ）灯などの様々なタイプの従来の高圧照明の使用のためにさらなるエネルギー浪費が生じる場合がある。このエネルギーは、光に変換されず、代わりに、廃熱としておよび／または光合成プロセスの間に利用されないスペクトル放射として放出される。
典型的な組成物の実施形態が、（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んでもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において（ａ）部分の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ってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において（ａ）部分の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ってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において（ｂ）部分の量子閉じ込め材料は、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、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、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、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ってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において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は＜０．７ｍｇ／ｍｌポリビニルピロリドンの溶剤中にあってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において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はＨ２Ｏの溶剤中にあってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において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は、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であってもよく、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であってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において９８０ｎｍの励起波長および５４５ｎｍの発光波長を有する２５ｎｍのＮａＹＦ４：ＹＢＥｒコロイドは、ヘキサンを含有する溶液中であってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において組成物は、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んでもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において溶剤は、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てもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において接着剤は、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てもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において組成物は、透明な固体材料上にコートされるおよび透明な固体材料中に埋め込まれる、の少なくとも１つであってもよい。さらなる典型的な組成物の実施形態において透明な固体材料は、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つを含んでもよい。
また、典型的な組成物の実施形態は、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、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んでもよい。
また、典型的な組成物の実施形態は、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、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んでもよい。
また、典型的な組成物の実施形態は、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、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んでもよい。
典型的なデバイス実施形態は、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、透明な表面上にコートされるおよび透明な表面に埋め込まれる、の少なくとも１つであってもよい組成物であって、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、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、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、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、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んでもよい組成物と、を含んでもよい。さらなる典型的なデバイス実施形態においてデバイスは、溶剤および接着剤の少なくとも１つをさらに含んでもよい。さらなる典型的なデバイス実施形態においてデバイスは、１つまたは複数の付加的な透明な表面をさらに含んでもよい。さらなる典型的なデバイス実施形態において透明な表面は、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てもよい。さらなる典型的なデバイス実施形態においてデバイスは、少なくとも１つ光源をさらに含んでもよい。さらなる典型的なデバイス実施形態において少なくとも１つ光源は、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）からなってもよい。さらなる典型的なデバイス実施形態において透明な表面は、ケースメントおよびサッシの少なくとも１つによって囲まれてもよい。
また、典型的な組成物の実施形態は、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を含む３００ｎｍ〜５５０ｎｍの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料と、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、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、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、および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５５０ｎｍ〜７５０ｎｍの発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料とを含んでもよい。
実施形態は例として示され、添付した図面の図において制限条件ではない。
本発明は、非光合成有効放射、例えば、紫外線や、高圧ナトリウム（「ＨＰＳ」）光源が生じさせる赤外線放射を光合成有効放射に変換することを含む。結果として、光源のエネルギー効率は特定の用途のために改良されてもよい。光波長を調整して植物の成長と増殖を最適にするために、光合成のために最適化された発光スペクトルを有する、量子ドットおよび／またはナノ構造量子閉じ込め材料を使用することが考えられる。
量子ドットは、３つの空間次元全てにおいての励起子閉じ込めのプロセスのために光活性化した時に選択された波長の光を放射するように作製され得る物質の部分である。このように、量子ドットは、単一波長、または広範囲の波長からの電磁放射エネルギーを特定の発光波長に変換すると考えられてもよい。特定の選択された波長だけを放射する量子ドットを作製してもよい。他の波長を生成するためにエネルギーが使用されていないので、量子ドットは、放射されたエネルギーを変換するのに効率的である。このプロセスは、厳密に量子ドットに限定されないが、また、一次元、二次元、または三次元全てにおいて量子閉じ込め性質を示すナノ構造材料にまで拡張されてよい。したがって、本発明は、光合成関連プロセスの性能を効率的に最適にすることができるナノ構造材料によるエネルギー変換のためのプラットホームを提供する。本発明は、様々な実施形態においての組成物、デバイス、および方法を考察する。
人工光および日光は両方とも光合成有効放射を放射することができるが、これらの光源はまた、植物の成長と増殖のために有用でない場合があるさらに別の電磁線を放射する場合がある。光合成的に有効でないエネルギーの使用は、エネルギー費および／または植物の成長においての生産費を増加させる場合がある。適した光が不十分である状態において、植物はｉｎ ｓｉｔｕ適応する場合がある。したがって、植物は、他の場合なら成長、または結実のために有用であるエネルギーを、光への暴露を最適にするように茎または葉を配置するのに消費する場合がある。
一般的には、特定の測定値が明記される場合、測定値は、母集団の変動または平均、または平均の関数である場合がある。例えば、量子閉じ込め材料の母集団において、明記された波長において励起される場合もあれば、より低い波長において励起される場合もあり、そしてより高い波長において励起される場合もある。当該の量子閉じ込め材料に対して、明記されたナノメートル波長は母集団内のこのような変動が予想される。量子閉じ込め材料自体は、本明細書においてサイズを用いて表わされることもあるが、一般的には、これは、少なくとも１つ寸法においての特定の無損傷量子閉じ込め材料のサイズを指す。これは、その体積寸法が同じ量子閉じ込め特性を表わす二次元および三次元構造物に拡張されてもよい。同様に、光源、例えば、日光またはＨＰＳ光から発する波長に対して変動がある場合がある。
量子閉じ込め材料：
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。
量子ドット組成物
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。
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。
欠陥を有するマトリクス組成物
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。
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。
固体ナノ構造物
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。
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。
光合成有効放射の放射
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）。
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）。
本明細書中で用いられるとき、正確な波長は、例えば、１ｎｍおよびその任意の部分まで変化してもよい。例えば、４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲は３９９ｎｍ、４００ｎｍ、および４０１ｎｍ〜４９９ｎｍ、５００ｎｍ、および５０１ｎｍであってもよい。予想される波長は、その様々な成長および生殖期の植物による光合成に有用な波長である。
また、植物は、異なった波長の光を吸収すると共にエネルギー変換を補助する場合がある他の色素、補助色素を有する。クロロフィルの他に、植物は、光の色などの光の特質を知覚する他の成分を有する。例えば、フィトクロームは、近赤外（ＦＲ）光の量に対して赤色光（Ｒ）の量に特に感受性である。近赤外光は７００〜８００ｎｍの、可視スペクトルの最端部にある。例えば、花卉栽培作物について赤色の、近赤外（Ｒ：ＦＲ）に対する比は、茎および葉の成長に影響を与え、開花に有害な影響を与える場合がある。一般的には、十分な太陽光条件の下で最も良く成長する植物は、耐陰性植物よりもＲ：ＦＲに対して感受性である。他の植物色素には、カロテノイド、アントシアニンおよびベタレインなどがある。したがってどんな色素が植物中にあるかを確認し、反射の原因を明らかにして、これらを光波長と相関させ、次に、波長の吸収を最適にしてもよい。
光合成のために最適にされた波長への変換用の光源
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、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。
エネルギー効率のために、量子閉じ込め材料を光源によって放射される電磁スペクトルの範囲と整合させるように選択してもよい。例えば、光源が５００〜６００ｎｍの主な光放射を有する場合、５００〜６００ｎｍで励起されて光合成有効放射を放射する量子閉じ込め材料を選択する。
特定の量子閉じ込め材料
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。
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。
本発明は、所望の発光波長を捉える量子閉じ込め材料の混合物を考察する。例えば、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およびサマリウムドープトバナジン酸イットリウムコロイドの両方が３００ｎｍにおいて活性化されて赤色光を放射するが、赤色スペクトルは異なっており、発光波長はそれぞれ６２０ｎｍおよび６５０ｎｍである。本発明のいくつかの実施形態において、これらの量子閉じ込め材料を組合せて使用してもよく、それらは両方とも同じ波長、３００ｎｍにおいて励起されるが、２つの選択的な赤色波長、６２０ｎｍおよび６５０ｎｍをそれぞれ放射するという結果になる。
活性化波長、および発光波長は、記載したように、明記された波長のプラスマイナス０．５ｎｍ変化してもよい。この活性化波長は、課題の量子閉じ込め材料を活性化して、成長および生殖のその様々な段階の植物の光合成のために適した所望のスペクトル波長を放射すると考えられる。
官能基および粒子
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。
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。
添加剤
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。
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。
所望の最終組成物に応じて、適した薬剤を使用して、量子閉じ込め材料を所望の最終密度に分散させてもよい。溶液中のコロイド状量子閉じ込め材料は、それらの発光スペクトルに影響を与える場合があるサイズ分布を有する場合がある。分散剤として作用する溶剤を使用するとき、このような分散剤が主題の量子閉じ込め材料の発光スペクトル、量子閉じ込め材料分散体の全成分、および溶液中の量子閉じ込め材料および任意の他の部分の濃度に与える影響を考慮する。上の表１および２に示された溶剤を用いてもよい。
任意選択により、所望の最終組成物に応じて、適した接着剤を使用して量子閉じ込め材料および組成物を固体表面に付着、または接着してもよい。接着剤は、本来は液体の形態、すなわち組成物の成分が周囲の容器の形状をとるのを可能にするほとんど無秩序な状態であり、後で固化し、すなわち、秩序状態になり、成分の移動を制限する組成物であってもよい。このような固化は水もしくは酸素の消耗によるかまたは固化剤、例えば、化学物質によるか、または紫外線による場合がある。適した接着剤には、組成および最終用途に応じて、嫌気性接着剤、シアノアクリレート接着剤、エポキシ、例えば、一液型または二液型、構造用アクリル樹脂、および紫外線硬化性接着剤などが含まれ得る。
調合物
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。
所望の波長を放射する量子閉じ込め材料がコーティングとして固体基材に適用されてもよい。光合成のために最適にされた発光スペクトルを有する量子閉じ込め材料を含む当該組成物は、液体であってもゲルであってもよく、固体基材への噴霧または塗装を容易にするように調製されてもよい。適した量子閉じ込め材料を分散体溶剤中に分散させ、混合物を固体基材に適用し、混合物を乾燥させて分散体溶剤を混合物から除去することによってこのようなコーティングを調製してもよい。選択された発光波長が必要以上の干渉を伴わずに放射されるようにこのような調合物を調製する時に多数の因子が考え得る。分散剤は所望の波長を透過できるのがよく、量子閉じ込め材料の濃度は、放射される光の強さに影響を与えることができ、分散剤の光学的性質は、光の散乱がこのように放射される所望の光に不当に干渉しないのがよい。コーティングは、固体基材に適用するために油またはゲルにさらに調合されてもよい。適用は、浸漬、噴霧、塗装または任意の他の方法によるものであってもよい。
固体基材に組み込まれた量子閉じ込め材料について同様な問題点が考慮されてもよい。所望の波長を放射する量子閉じ込め材料が、ポリマーマトリクスに組み込むように基材に組み込まれてもよい。例えば、本発明は、特定の放射および／または吸収特性を有すると共にナノ複合材のスペクトル変換係数の特定の調整も可能にする量子閉じ込め材料がドープされたマトリックス材料を提供する。一実施形態において、本発明は、ポリマーとポリマー中に埋め込まれた量子閉じ込め材料とを含むポリマー層を提供し、そこで量子閉じ込め材料が赤色光、近赤外光、または青色光を放射するようなサイズおよび組成を有し、ポリマー層が、層に入る光の最小部分を散乱させる。特定の実施形態において、ポリマーはシリコーンであってもよい。本発明のポリマー層は、透明な固体基材および光学装置、例えば、屈折レンズまたは反射要素などの固体基材をコートするために使用されてもよく、または能動デバイス、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）および電場誘起ポリマーエレクトロルミネセンス材料（ＦＩＰＥＬ）を封入するために使用されてもよい。ポリマーなどの基材全体にわたっての量子閉じ込め構造物の密度は、均一、勾配、または任意の他の所望の分布であってもよい。ポリマーコーティングの厚さは、所望の最終特性に依存する。特定の実施形態において、コーティングとして使用されるポリマー層は、０ｍｍ〜１ｍｍ、１ｍｍ〜５ｍｍ、５ｍｍ〜１０ｍｍ（１ｃｍ）の厚さ、および間の任意の整数値の厚さを有してもよい。
デバイス
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。
構成
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。
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。
図１は、赤色発光および青色発光量子閉じ込め材料を透明な固体表面上に含む典型的なデバイス１０８を示す。光源、ここでは、太陽１０２または人工光源１０４は、赤色発光および青色発光量子閉じ込め材料、例えば、量子ドット、ナノ構造グラフェン等を透明な固体表面上に含む本発明のデバイス１０８に暴露される電磁スペクトル１０６を放射する。これは、光合成有効放射−より短い波長側の青色、より長い波長側の赤色−が、光合成する植物１１２の存在下で選択的に増幅される１１０という結果をもたらす。
図２は、透明な構造物２０２によって囲まれた光源１０４を含む典型的なデバイス２００を示す。
図３は、透明な構造物３０４によって囲まれた管状光源３０２を含む典型的なデバイス３００を示す。透明な固体表面３０４などの固体表面上または固体表面内に当該の量子閉じ込め材料組成物を配置してもよい。透明な固体表面３０４は、光源の波長に主題の量子閉じ込め材料を活性化させるのがよく、発光波長が植物に達するようにする。光活性化のために使用される光の波長、ならびに放射のための波長に応じて、必要ならば、様々な度合の不透明度を使用してもよい。透明な固体表面３０４は、石英ガラス、カーボンポリマー、セラミック、およびそれらの任意の組み合わせなど、任意の材料であってもよい。透明な固体表面は剛性または可撓性であってもよい。当該の量子閉じ込め材料を薄いフィルムとして、例えば、厚めの表面上に配置してもよい。一般に、透明な固体表面が薄くなればなるほど、光学的に変化される光が少なくなり、波長伝送がより効率的になる。様々なレンズおよびその他の光学装置を使用して当該デバイスと組合せて光の強さおよび位置に影響を与えてもよい。
図４は、平行に隣接した第１の透明な表面４０２と第２の透明な表面４０４とを含む典型的なデバイス４００を示す。上部および下部平面表面を有する第１の透明な表面４０２、および平面の上部および下部表面を有する第２の透明な表面４０４は、特定の位置において、例えば、４つの隅４０６、４０８、４１０、４１２の各々において、平面表面に沿って隣接していてもよく、その結果、第２の透明な表面４０４の下部平面は、第１の透明な表面４０２の上部平面表面に平行に隣接している。このような隣接は、４つの隅４０６、４０８、４１０、４１２の各々において接着剤によってなされてもよい。赤色発光４１４および青色発光４１６を有する量子閉じ込め材料は、第２の透明な表面４０４の下面に対向する面上に、第１の透明な表面４０２の上にコーティングとして分散される。
図５は、青色発光４１６および赤色発光４１４を有する量子閉じ込め材料が埋め込まれた透明な表面５０２を含む典型的なデバイス５００を示す。あるいは、本発明のデバイスは、所望の量子閉じ込め材料組成物４１４、４１６が液体の形態のままであってもよい。例えば、透明な管材料が最初に所望の構成で、例えば、温室または屋内の栽培エリア内に配置されてもよく、次いで適した液体ＰＡＲ放射量子閉じ込め材料組成物４１４、４１６を射出して管材料を充填することができる。強度、再使用適性、および光の透過率に関して考慮して、パウチ、および液体を保持するために適したその他の形態を使用してもよい。
組成物の製造方法
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。
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。
選択された発光波長を有するいくつかの量子閉じ込め材料組成物があってもよいが、活性化源に応じて特定の活性化波長がより好ましい場合がある。活性化波長は、構成によって、例えば、日光または人工光の使用によって決定されてもよい。
発光波長は、植物のタイプ、植物の成長または生殖期、および所望の全エネルギー効率に基づいて決定されてもよい。コスト、環境上の損失、および寿命などの他の因子を考慮してもよい。
様々な波長によって活性化され、および／または様々な波長を放射する量子閉じ込め材料を組合せてもよい。当該の量子閉じ込め材料組成物は、同一または異なった活性化または発光波長を有する１つまたは複数の量子閉じ込め材料のタイプからなるか、または本質的に、からなってもよい。表１の量子閉じ込め材料の１つまたは複数を単独でまたは表２の量子閉じ込め材料の１つまたは複数と組合せて使用してもよい。同様に、表２の量子閉じ込め材料の１つまたは複数を単独でまたは表１の量子閉じ込め材料の１つまたは複数と組合せて使用してもよい。量子閉じ込め材料の全てまたは一部が官能化されてもよく、そして、上述のように、分散剤および接着剤などの付加的な部分が含有されてもよい。活性化波長、ならびに発光スペクトルの間のあり得る干渉を考慮するべきである。
デバイスの製造方法
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。
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。
当該の量子閉じ込め材料組成物を表面上にコートまたは表面に埋め込む様々な手段を用いてもよい。表面上に噴霧またははけ塗りするか、または、粒子が使用される場合、粒子をコートするためにこのような粒子を液体中で混合するために、当該組成物を調製してもよい。量子閉じ込め材料を表面上に正確に堆積させるインクジェット技術を用意してもよい。正確な構成に適している場合、適した表面基材と共にエピタキシー法を使用してもよい。また、当該の量子閉じ込め材料が埋め込まれた固体表面を作製してもよい。液体の形態の適したポリマー組成物を本明細書に記載された適した量子閉じ込め材料と混合して架橋および固化させてもよい。様々な架橋剤を用いてもよい。
日光および人工光の任意の数の組合せなど、様々な活性化源を使用してもよい。ＨＰＳなどの様々な従来の育成用光を使用してもよい。また、レーザーおよび慣例的に園芸用に使用されないその他の光源を活性化波長源として使用してもよい。付加的な反射体およびレンズを使用してもよい。例えば、鏡面などの反射体を使用して、光源を植物表面上に集光してもよい。レンズを使用して、特定の波長を分離または集中させてもよい。このようなレーザーは光学的に集束されるので、付加的なレンズを使用して、ビームを分離、または増幅させてもよい。２つ以上の活性化波長が必要とされる場合、複数のレーザーを使用してもよい。
組成物を使用する方法
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。
同様に、対象植物上または中に存在するのに適した微生物薬剤上または中に保持されるのに適した無毒性の燐光体ドットの調合物水溶液を調製して、葉緑体または他の光−エネルギー変換部分に十分に近接して、光変換源、燐光体ドットを供給してもよい。したがって、本発明は、当該の量子閉じ込め材料と無害な、ならびに有益な植物微生物組成物との調合物を考察する。
デバイスを使用する方法
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。
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。
ＨＰＳなどの人工光源が使用される場合、当該デバイスは、人工光源と光合成有効量子閉じ込め材料がその上に配置されるかまたはその中に埋め込まれた表面とを含む組立体であってもよい（図２〜３を参照）。人工光源を完全にまたは部分的に囲んでいるのは、量子閉じ込め材料組成物を含む、からなる、または本質的に、からなる表面であり、そこで量子閉じ込め材料組成物は、（ａ）人工光源によって放射された波長において活性化した時に赤色範囲の光を放射する量子閉じ込め材料の１つまたは複数、および（ｂ）人工光源によって放射された波長において活性化した時に青色範囲の光を放射する量子閉じ込め材料を含有する。図４は、このような量子閉じ込め材料４１４、４１６が表面上に配置されるのではなく、その中に埋め込まれた透明な表面４０２、４０４を示す。
人工光に頼らない場合、または自然日光が活性化のために使用される場合、本発明は、窓、そして、関連して、温室として構成される隣接した窓の実施形態を考察する。本明細書中で用いられるとき、用語「窓」は、開閉され得る、透明な材料、例えば、ガラスを備える、ケースメントまたはサッシによって通常閉じられる光と空気を採り入れるための、建造物の特に壁の開口部を意味する。本明細書中で用いられるとき用語「温室」は、「弱い植物の栽培または保護のために使用される、（例えばガラスによって）密閉される構造物」を意味する。透明または半透明のどちらかのガラス、例えば、ホウケイ酸塩、または透明または半透明なプラスチック、例えば、ハイドロポリマーの使用が当該窓または温室の全て、または一部のために考えられる。日光、または人工光に量子閉じ込め材料を活性化させて光合成有効放射を放射させるために十分に透明、または半透明であってもよい他の材料を用いてもよい。例えば、透明なセラミックおよびガラス繊維が好適に使用できる場合がある。
窓について、本発明は、ケースメントまたはサッシによって枠で囲まれ壁、戸、または他の不透明色の表面内に配置されてもよい透明な材料を考察する。当該の量子閉じ込め材料組成物は透明な材料上に配置されるかまたは中に埋め込まれる（図４および５を参照）。いくつかの窓はデュアルペインであってもよく、当該の量子閉じ込め材料組成物がペインの内面上に配置されてもよく、すなわち、それは別の透明なペインに対向している。
いくつかの実施形態において、本発明は、隣接する窓からなる温室を包含してもよく、そこで窓の１つまたは複数が、本発明の量子閉じ込め材料組成物をさらに含む。他の温室実施形態において、本発明は、透明プラスチックによって囲まれる剛性枠を含んでもよく、そこでプラスチックは、本発明の量子閉じ込め材料組成物上に配置されるかまたは中に埋め込まれる。
図６は、光合成有効放射およびクロロフィル吸収スペクトル６００のグラフを示す。図６に示されたグラフに基づいて、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除去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。予測的実施例１〜３は、目標とされる植物の成長および／または生殖期に応じて異なった組合せを提供する。予測的実施例４はエネルギー効率の計算を提供し、予測的実施例５は、植物に適用されるものとして調製された赤色を放射する量子閉じ込め材料と青色を放射する量子閉じ込め材料との混合物を記載する。予測的実施例６は、窓技術に適用されるものとして赤色を放射する量子閉じ込め材料と青色を放射する量子閉じ込め材料との混合物を提供する。
励起および発光波長はナノメートルを用いて表わされるが、ナノメートル測定値は、０ｎｍ〜０．５ｎｍ短いおよび０ｎｍ〜０．５ｎｍ長いあり得る変動値、ならびに正確なナノメートル量を包含する。
実施例１：植物の成長促進量子閉じ込め材料混合物およびデバイス
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。
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。
デバイスの作製
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。
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。
３００Ｆの熱トンネルを使用して溶剤を蒸発させる。図４に図示されるように、量子閉じ込め材料をデバイス内に封止するために、初期パネルのリムまたは端縁に接着剤が付けられるようにして、別の厚さ１ｍｍのホウケイ酸塩シートを接着させる。
実施例２：開花促進量子閉じ込め材料混合物とデバイス
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。
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。
デバイスの作製
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。
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。
３００Ｆの熱トンネルを使用して溶剤を蒸発させる。図４に図示されるように、量子閉じ込め材料をデバイス内に封止するために、初期パネルのリムまたは端縁に接着剤が付けられるようにして、別の１ｍｍのホウケイ酸塩シートを接着させる。
実施例３：万能成長量子閉じ込め材料混合物およびデバイス
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。
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。
デバイスの作製
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。
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。
３００Ｆの熱トンネルを使用して溶剤を蒸発させる。図４に図示されるように、量子閉じ込め材料をデバイス内に封止するために、初期パネルのリムまたは端縁に接着剤が付けられるようにして、別の１ｍｍのホウケイ酸塩シートを接着させる。
実施例４：エネルギー効率の計算
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。
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。
浪費エネルギーを説明するために、市販の１０００Ｗ高圧ナトリウム電球は典型的に、ほぼ１００ルーメン／ワットにおいて約１００，０００ルーメンの光を生じることを考える。しかしながら、商用銘柄６００Ｗ高圧ナトリウム電球は典型的に１４０ルーメン／ワットを生じる−このより小さな電球を使用して４０％割増の出力がある。おそらく、電球を点火するために必要とされるエネルギー量のために１０００Ｗ電球において大きなエネルギー量が失われる。そのとき、このエネルギーは光としてではなく、すなわち、ルーメンとしてではなく、むしろ熱として、すなわち、赤外線波長として発散される。本発明は、量子閉じ込め材料技術を使用して、この廃熱を使用可能な光に有効に変化させ、放射される光は光合成有効放射形態内にある。このような光合成有効発光波長を例えば成長、開花等の植物の寿命サイクルの段階に明確に調整してもよい。さらに、植物および例えばクロロフィル組成物およびフィトクローム組成物などのその光合成有効成分に応じて発光波長を選択的に調整してもよい（図６を参照）。
控えめに、１０００ＷのＨＰＳ電球において３０％の非能率を推定し（６００ＷのＨＰＳ電球から１０００ＷのＨＰＳ電球への調整、および１０％の低減に基づいた上記の説明から推定）、そして量子閉じ込め材料の９０％の放射効率を仮定すると、量子閉じ込め材料は、１０００ＷのＨＰＳ電球と同じエネルギー入力について、２７％多い使用可能な光を放射する。別の方法で、３０％の非能率で、２７％多い使用可能な光を得るために、（量子閉じ込め材料の０．９理論効率）、赤外線および紫外線の全ての浪費された放射線を集めると仮定して、光合成放射線について２７％多い使用可能な光がある。６００ＷのＨＰＳ電球などのより低いワット数のＨＰＳ電球を仮定しても、選択された波長の「可変性」のために効率を達成することができる。したがって、６００Ｗ電球を使用して、所望の波長放射を考慮して、１０００ＷのＨＰＳ電球と同じ有効量の光を生じることができる。これは、この実施例において４００Ｗの効率の改善をもたらすであろう。
実施例５：植物に適用されるものとして調製された赤色および青色発光量子閉じ込め材料の混合物
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。
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。
光合成有効放射を放射する量子閉じ込め材料が、光合成が起こる場所の近くに、植物内にあるように、植物自体による吸収のための組成物を調製してもよい。したがって、広域スペクトル源、例えば、高圧ナトリウム光または日光から放射される光を、植物自体の内で光合成有効放射に変換する。このような組成物は好ましくは、植物に無毒性であり、そして、このような植物が摂取される場合、摂取に対して無毒性である量子閉じ込め材料を使用する。シリコーン系の、無毒性、生分解性の量子閉じ込め材料を水中に分散させてもよく、それらが根を通して供給される時に植物自体によって吸収されるようにし、それによって量子閉じ込め材料を植物中に全体的に供給する。これらの組成物は水耕溶液の一部であってもよく、また、植物栄養素を含有してもよい。
本発明の多数の実施形態は、植物内で量子閉じ込め材料を使用して、光合成有効放射の局在的な増加した効率を有することによる。本発明は、植物と、その中に量子閉じ込め材料、より詳しくは、光合成有効放射を放射する量子閉じ込め材料を含有するその任意の部分とを包含する。本発明は、光合成有効放射を放射する量子閉じ込め材料を含有する、含む、からなるまたは本質的に、からなる植物養分溶液を包含する。赤色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、青色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、および植物養分溶液を含む、からなる、または本質的に、からなる組成物を調製してもよい。赤色を放射する量子閉じ込め材料または青色を放射する量子閉じ込め材料のどちらかを有するこのような組成物を調製してもよい。
植物の外面をコートしたいと考えるならば、同様な考慮がなされてもよい。量子閉じ込め材料は植物に対して無毒性であるのがよく、そして摂取される植物は、食べられるかあるいは他の方法で消費される場合、無毒性であるのがよい。このような量子閉じ込め材料組成物を噴霧で適用してもよい。
植物への適用のために、赤色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、青色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、および適用可能なとき、バクテリアまたはその胞子を含む、からなる、または本質的に、からなる組成物を調製してもよい。赤色を放射する量子閉じ込め材料または青色を放射する量子閉じ込め材料のどちらかを有するこのような組成物を調製してもよい。
赤色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、青色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、およびバチルス属（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）種、プセウドモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）種およびフザリウム属（Ｆｕｓａｒｉｕｍ）種のなかから選択されたバクテリア（またはその胞子）を含む、からなる、または本質的に、からなる組成物を調製してもよい。適したバクテリア、例えばバチルス・チューリゲンシス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｔｈｕｒｉｇｅｎｓｉｓ）を主題の量子閉じ込め材料組成物と一緒に調製し、単回投与として植物に適用してもよい。例えば、他の非病原性バクテリア、例えば非病原性プセウドモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）種、またはフザリウム属（Ｆｕｓａｒｉｕｍ）種を用いてもよい。特定のバクテリア、例えば蛍光菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｓ）は蛍光性であり、そしてこれは、当該の量子閉じ込め材料のエネルギー最適化を増加させる場合がある。
植物中への吸収のための非病原性ウイルスまたは他の核酸ベースのベクターを同様に調製してもよい。このようなベクターには、ウイルス、または他のＤＮＡ、ＲＮＡ、または合成核酸、例えばアプタマー、またはミメティックなどを含めてもよい。したがって、本発明は、赤色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、青色スペクトルの放射を有する量子閉じ込め材料、および植物ウイルス、または他の核酸ベースの植物ベクターを含む、からなる、または本質的に、からなる組成物を包含してもよい。
実施例６：窓技術に適用される赤色および青色発光量子閉じ込め材料の混合物
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。
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。
上記の実施形態の特定の特徴および態様の様々な組合せおよび／または部分的組合せが行なわれてもよく、なお本発明の範囲内にあると考えられる。したがって、開示された実施形態の様々な特徴および態様は、開示された発明の様々な形態を形成するために互いに組合せられるかまたは代わりに用いられてもよいことは理解されるはずである。さらに、例として本明細書において開示された本発明の範囲は、上に記載された特定の開示された実施形態によって限定されるべきでないことが意図される。
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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