科创中国

行业领域

生物与新医药技术,现代农业技术

需求背景

粮食安全越来越成为全世界关注的话题，据统计世界上还有4亿多人因吃不饱饭而导致营养不良。良种的推广、化肥的使用等现代农业技术已经将粮食产量提高到了极致，已有的技术很难再提高粮食产量。近年来，随着纳米技术的快速发展，通过使用纳米技术来改善农作物的产量和品质已经引起人们广泛的兴趣。基于纳米技术开发新的纳米农药、纳米肥料能为农业的可持续发展提供很好的应用前景。但是低成本、规模化纳米材料的制备技术，以及纳米材料的使用量多少能有效的激发作物生长和产量、品质提升是限制纳米材料在农业上规模化推广应用的关键瓶颈。另一方面，纳米技术在农业上的应用虽然在基础研究取得了一些有价值的初步成果，但有些研究也表明纳米材料对农作物的生长产生负面作用，影响了纳米粉体技术在农业领域的应用。现有文献报道应用于农业上的纳米粒子大部分集中于各类氧化物纳米材料，如氧化钛，氧化铁，氧化硅，氧化锌等，单质纳米粒子在作物上的应用鲜见报道。加之许多方法制备的单质纳米颗粒易团聚，影响植物的直接吸收，导致其功能下降。因此利用单质纳米粉体材料改善农作物健康生长存在具体难度！其相应的研究也较少，大面积的应用完全没有！

尽管在农作物正常生长过程中，其对微量元素的需求并不多，大多仅为总量的百万分之几，然而它们所起的作用却是巨大的。当农作物的必需营养元素平衡时，农作物生长茂盛，农产品品质高。当农作物缺少一种或几种元素时，植株生长受到影响，病态出现。由于缺乏微量元素，农作物表现为：叶片叶绿素含量下降，光合作用强度和速率降低，顶端或幼叶失绿黄化，由脉间失绿发展到全叶淡黄白色，果树“黄叶病”，花卉、蔬菜幼叶脉间失绿黄化或白化，禾本科叶片脉间失绿呈条纹花叶。幼叶脉间失绿黄化，有褐色小斑点散布于整个叶片，燕麦“灰斑病”、豆类“褐斑病”、甜菜“黄斑病”，禾本科顶端发白枯萎，繁殖器官发育受阻，不结实或只有秕粒等。可见，微量元素对作物生长和品质改善起到了至关重要的作用。因此补充必要的微量元素是保证农作物健康生长的现代农业生产方式之一。常用的微量元素补给方法有：使用微量元素溶液进行拌种、追加基肥、根部吸湿法、树干引注法、涂枝法、叶面喷雾法等等。这些传统技术虽然能解决植物生长需求的一些问题，但是已有研究表明传统补给微量元素的方法不但对粮食产量提升和品质改善非常有限，而且已经造成土壤酸化、板结，不利于农业种植的可持续发展。因此利用有效手段、有效补充作物需要的微量元素是现代农业绿色发展的关键课题之一。

需解决的主要技术难题

研发具有核壳结构的铁、铜和硅单质纳米粉体材料，尺寸在1-100纳米间，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，球形、具有核壳结构、分散性好(不易团聚)，其颗粒小于植物叶面的缝隙尺寸，因此很容易被植物从表面直接吸收，从而有效地促进植物对营养物质的吸收，促进植物生长。另一方面纳米粉体材料具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，显示出许多奇异的特性，在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体相比将会有显著的不同，因此本发明的具有核壳结构的铁、铜和硅单质纳米粉体材料还能有效刺激种子的细胞生物活性，对土壤的微量元素充分吸收发挥意想不到的催化活化效果，增强对外界环境的抗逆性，进而系统地促进作物生长、提高产量和提升品质。

期望实现的主要技术目标

(1)研发具有核壳结构的单质纳米粉体材料，平均粒径控制在1-100纳米范围；除了具备纳米材料的通用特点外，还对每个纳米颗粒进行了表面包覆处理，形成了核壳结构；壳层结构赋予每个铁纳米颗粒较强的磁性，可防止铁纳米颗粒在储存、运输和使用过程中产生团聚，有利于在拌种、施肥、叶面喷洒过程中分别与丛根菌、氮磷钾肥、营养元素、农药等混合使用，同时具备使用量少、作用效果显著、操作简单、省时、省力的特点。

(2)作物缺少微量元素会导致植株生长受阻，出现各种病态。单质纳米粉体材料不但能有效的治疗作物缺素症状，还能有效激活植物细胞活性，有利于作物吸收土壤中的养分，进而系统地促进作物成长、提高作物产量和品质。

(3)单质铁纳米材料能有效治疗植物缺铁症状，同时还能增加叶绿素含量、提高光合效率；单质铜纳米材料可有效防治植物的病原菌病害；单质硅纳米材料在植物状杆、防倒伏、增加植物叶片蜡质层等作用；在抵御外界生物非生物胁迫上发挥重要作用。

需求解析

解析单位：江苏省无锡市 解析时间：2023-10-19

孙爱华

无锡市人工智能学会

副会长

综合评价

(1)本发明的具有核壳结构的单质纳米粉体材料，平均粒径控制在1-100纳米范围；除了具备纳米材料的通用特点外，还对每个纳米颗粒进行了表面包覆处理，形成了核壳结构；壳层结构赋予每个铁纳米颗粒较强的磁性，可防止铁纳米颗粒在储存、运输和使用过程中产生团聚，有利于在拌种、施肥、叶面喷洒过程中分别与丛根菌、氮磷钾肥、营养元素、农药等混合使用，同时具备使用量少、作用效果显著、操作简单、省时、省力的特点。 (2)本领域技术人员公知，作物缺少微量元素会导致植株生长受阻，出现各种病态。而本发明所公开的单质纳米粉体材料不但能有效的治疗作物缺素症状，还能有效激活植物细胞活性，有利于作物吸收土壤中的养分，进而系统地促进作物成长、提高作物产量和品质。 (3)本发明涉及的铁、铜和硅等单质纳米材料，其中单质铁纳米材料能有效治疗植物缺铁症状，同时还能增加叶绿素含量、提高光合效率；单质铜纳米材料可有效防治植物的病原菌病害；单质硅纳米材料在植物状杆、防倒伏、增加植物叶片蜡质层等作用；在抵御外界生物非生物胁迫上发挥重要作用。

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