口袋K号39:农业纳米技术

“如果我们能按照我们想要的方式一个一个地排列原子,会发生什么?”理查德·费曼问,美国著名物理学家,1959年12月29日在美国物理学会会议上的讲话。这个想法最终成为了一个被称为纳米技术的研究领域。

纳米技术是指控制,建筑,在原子和分子尺度上重组材料和装置。纳米是一米的十亿分之一。要了解纳米尺度,人类头发的宽度为80000纳米,肉眼可见的最小物体直径为10000纳米。在纳米尺度上,化学和物理的基本规则不适用。这项技术的一个例子是1991年发现的碳纳米管,它的直径只有几纳米,但导电性能比铜好;比钢强100倍,但只有钢重量的六分之一。

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(来源:nano.gov/nanotech-101/what/nano-size)


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单壁碳纳米管(SWCNT)(A)和多壁碳纳米管(MWCNT)(B)输送系统的概念图,显示了典型的长度尺寸,宽度,以及碳纳米管中石墨烯层之间的分离距离。
(来源:http://jnn.snmjournals.org/cgi/content/full/48/7/1039/fig1)

作物生物技术纳米技术

化学家们已经成功地制作出三维分子结构,将生物技术和纳米技术结合起来的突破。他们通过产生合成的DNA序列来制造DNA晶体,这些DNA序列可以自我组装成一系列三维三角形图案。DNA晶体有“粘性末端”或小的粘性序列,可以有组织地附着到另一个分子上。当多个螺旋通过单股粘端连接时,会有一个格子状的结构延伸到六个不同的方向,形成如图1所示的三维晶体。这项技术可用于通过组织和连接碳水化合物来改良重要作物。脂类,这些晶体中的蛋白质和核酸。

纳米颗粒可以作为“魔法子弹”,含有除草剂,化学制品,或基因,它以特定的植物部分为目标来释放它们的内容。纳米胶囊能够有效地将除草剂渗透到表皮和组织中,允许活性物质缓慢和持续释放。

爱荷华州立大学的化学家们利用一种3纳米介孔二氧化硅纳米颗粒(msn)将DNA和化学物质输送到分离的植物细胞中。MSN被化学涂层,并作为基因进入植物的容器。涂层触发植物通过细胞壁吸收微粒,基因以精确和可控的方式插入和激活,无任何毒副作用或副作用。该技术已成功应用于烟草、玉米等植物的DNA导入。

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图1。a.三角形周围的立体图像;B.由三角形构成的菱形空腔(白线)的立体图像。(来源:从分子到宏观,通过自组装3D DNA晶体的合理设计,自然,doi:10.1038/自然08274)

纳米颗粒与农业废弃物的回收利用

纳米技术也应用于防止农业废物,尤其是在棉花行业。当棉花加工成织物或服装时,一些纤维素或纤维被当作废物丢弃或用于低价值产品,如棉球,纱线和棉絮。利用新开发的溶剂和一种称为静电纺丝的技术,科学家们生产出100纳米直径的纤维,可以用作肥料或农药吸收剂。这些高性能吸附剂允许在所需的时间和地点有针对性地应用。

过去两年,玉米原料乙醇生产增加了全球玉米价格。纤维素原料现在被认为是生产生物燃料的可行选择,纳米技术也可以提高用于纤维素转化为乙醇的酶的性能。科学家们正在研究纳米工程酶,这种酶将使纤维素从废弃植物部分简单而经济有效地转化为乙醇。

Rice husk碾米副产品可以作为可再生能源的来源。当稻壳燃烧成热能或生物燃料时,大量生产出优质纳米二氧化硅,可进一步用于玻璃、混凝土等其他材料的制备。因为稻壳是连续不断的来源,通过纳米技术大规模生产纳米二氧化硅,可以减轻稻壳处理日益增长的担忧。

针对害虫的纳米技术输送系统,营养物,和植物激素

纳米传感器和基于纳米的智能输送系统有助于有效利用农业自然资源,如水,williamhill通过精耕细作获得营养和化学物质。通过使用纳米材料和全球定位系统以及卫星场成像,农场管理者可以远程检测作物害虫或干旱等压力迹象。一旦发现害虫或干旱,将自动调整杀虫剂使用或灌溉水平。分散在田间的纳米传感器也可以检测植物病毒的存在和土壤养分的水平。纳米胶囊缓释肥料也成为节约化肥消耗和减少环境污染的一种趋势。十一

纳米条形码和纳米加工也可以用来监测农产品的质量。康奈尔大学的科学家们以便宜的价格使用杂货店条形码的概念,效率高,快速简便的疾病解码和检测。他们制作了微型探针或纳米条形码,可以在农场内标记多种病原体,使用任何荧光设备都可以很容易地检测到这些病原体。这一正在进行的项目通常旨在开发一种便携式现场探测器,可供非培训人员使用。项目,与美国合作农业部预计将于2011年底完工。十二

通过纳米技术,科学家能够研究植物对生长素等激素的调节。负责生根育苗。普渡大学的科学家开发了一种能与生长素发生反应的纳米传感器。这种相互作用产生的电信号可以作为测量生长素在特定点浓度的基础。纳米传感器振荡,在根的不同位置读取生长素浓度读数。然后,一个公式系统验证生长素是否被周围的细胞吸收或释放。这是生长素研究的一个突破,因为它帮助科学家了解植物根系如何适应环境,尤其是边缘土壤。十三

纳米技术的影响

纳米技术被认为是解决食品和农业问题的可能方法之一。就像生物技术一样,健康安全问题,生物多样性,并提出了环境与纳米技术的适当规范。然而,纳米技术产品,如抗菌敷料,防污面料,而且防晒霜在市场上早就有了。十四

诺贝尔奖得主理查德斯莫利向美国展示了纳米技术的好处。S.1999年众议院科学委员会。他强调纳米技术对健康的影响,财富,人民的生活将至少等于微电子的综合影响,医学成像,计算机辅助工程和人工聚合物是20世纪发展起来的。十五到目前为止,纳米科学家正在开发一种原子一原子地建造物体的技术,这种技术不仅在农业上,而且在医学上具有潜在的应用前景。电子学,信息技术,以及环境监测和修复,举几个例子。十六

工具书类

纳米视觉:工程的未来。2008、C。Milburn。杜克大学出版社。
纳米技术的概述和影响。2008。M罗哥。http://www.ifpri.org/sites/default/files/20080618roco.pdf.
3、15纳米技术是什么?它能做什么?.2005。C.婆罗门和M单阿汉。http://www.azonano.com/article.aspx?ToeLoID=1134
小奇观。2010。自然。DOI:10.1038/467018A。
从分子到宏观,通过对自组装三维DNA晶体的合理设计。2009。n.名词C.塞曼ET.Al。自然。doi:10.1038/nature08274。
寄生植物控制的纳米技术。2009。a.Perea de Lugue和D.Rubiales。害虫管理科学杂志。doi:10.1002/ps.1732。
介孔二氧化硅纳米粒子将DNA和化学物质输送到植物中。2007。f.TorneyB.Trewynv.诉林K.王。自然纳米技术。内政部:10.1038.nnano.2007.108。
利用新的静电纺丝技术,废旧纤维可以回收利用成为有价值的产品。康奈尔大学的研究人员报道。2003。S.朗http://www.news.cornell.edu/releases/sept03/electrospinning.acs.ssl.html.
燃料和纳米技术:纳米技术如何提高燃料的可用性。2007。http://www.undersondingnano.com/fuel.html.
生物质能材料制备二氧化硅纳米颗粒的动力学研究及特性。2010。T.H.柳和S.J.吴。工业和工程化学研究。doi:10.1021/ie100050t。
十一农业和食品工业的纳米技术革命。2006。P.琼斯。生物技术信息系统。http://www.isb.vt.edu/articles/jun0605.htm.
12用基于DNA的荧光纳米条形码多重检测病原体DNA。2005。是的。锂,Y.T.Hong Cud.罗。自然生物技术。doi:10.1038/nbt1106。
十三利用积分通量微传感器技术对内源性生长素转运进行无创量化。2010。E.S.McLamorea.迪格斯P.C.MarzalJ施J·J布莱克斯利W.A.同龄人,A.S.MurphyD.M.Porterfield。NCBI。doi:10.111/j.1365-313x.2010.04300.x.
十四农业和食品技术。2006。欧洲纳米技术门户。http://www.nanoforum.org/datien/temp/nanotechnology/纳米技术
%20%20农业20和20食品.pdf
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十六从生物技术到纳米技术:我们能从早期的技术中学到什么?.2004。Md.梅塔。科学公报,技术,社会。内政部:10.1177/0270467604263119。PP 34-39。

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