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半导体科技推动农业革命

过去一百年里,半导体科学技术改变了我们生活的方方面面。关于半导体科技带来的信息革命,我们大家都很熟悉了---谁每天还不上个网打个电话呢?但是,如果说半导体科技还推动了农业革命,你可能就有点疑惑了:种粮种菜这么土的活儿还用得着高大上的半导体科技吗?我们还是来看看吧。

  “民以食为天”。几千年来,农业一直是人类社会存在的基础。人口的繁衍增殖都离不开农业技术的进步。无论是选种育苗还是栽培收获,无论是水利建设还是保墒抗灾,任何新技术都会被首先考虑是否可以用来提高农业生产水平,半导体科学技术也不例外。

  有史以来,农民都是靠天吃饭的,因为农作物的生长发育依赖于“光、温、水、肥、气”,这些重要的环境因素都是很难控制的。“一年三百六十日,风刀霜剑严相逼”,真正风调雨顺的年份又能有多少啊。自上个世纪以来,工业技术的发展逐渐解决了水利设施和化肥的问题,生物技术的发展提高了选种育苗的水平,但是仍然不能彻底解决靠天吃饭的问题,因为“万物生长靠太阳”。如果能在房子里种庄稼,那该有多好啊!

  随着科学技术的发展,房子里种庄稼的梦想逐渐要变成现实了。首先是地膜和塑料大棚技术的普及,显著降低了恶劣天气对农作物生长的影响。但是,要想把庄稼种到房子里,必须解决光源的问题。农作物的生长是光合作用的结果,没有光,扯什么都是白扯啊。而且,这个光源的光必须很强,这与养鸡场大不一样:现代化的养鸡场是在房子里养鸡,那里的光源只是起个照明的作用,因为小鸡长肉靠的是饲料,而不是叶绿素。只要有了合适的光源,就可以把庄稼种到房子里了,“温、水、肥、气”这些问题也比露天的情况好解决多了。

  万事俱备,只欠光源。怎么办呢?传统的电灯(白炽灯)肯定不行,它们靠的是电流加热电阻丝来发光,效率太低。气体灯的效率还行,不管是装饰用的霓虹灯,还是工地里照明的高压氙灯,但是它们的体积太大、造价也不便宜,而且是玻璃制品不宜维护,更重要的是它们的发光波长受到填充气体的限制,无法根据农作物光合作用的最佳范围进行调节。上个世纪末开始流行的节能灯可以通过改变荧光粉来调节波长,但是还是有体积大、造价高的问题,用来长庄稼有点太奢侈了。说了半天,一个也用不上啊。怎么办呢?别灰心,别丧气,白光二极管(LED)来了。

  白光二极管就是能够发白光的发光二极管。二极管是典型的半导体器件,你可以认为它是由两种半导体材料密切拼接在一起的:一种半导体材料(n型材料)里面的电子多一些,另一种半导体材料(p型材料)里面的空穴多一些(“空穴”是专业术语,说的是电子留下来的“空位”,用来描述电子离开了自己本来可以停留的位置),这两种材料接触的地方就叫p-n结。在外加电压的作用下,p-n结两侧的电子和空穴会向对面阵地运动,彼此相遇之后就会“复合”发光---这是专业说法,你可以认为电子掉到坑里(这个坑就是空穴)摔死了,在牺牲的瞬间爆发出了生命的光芒。这些道理人们早就知道了,但是起初只能让二极管发出红光,而且效率也不太高,主要是因为半导体材料的限制。直到上个世纪九十年代,随着半导体材料、物理和器件技术的发展,特别是以氮化镓为代表的宽带隙材料研究的进展,人们终于做出了白光二极管。现在的白光二极管不仅体积小、效率高、寿命长、价格便宜,而且发光波长可以预先设计---房子里种庄稼的光源问题就要解决了,虽然大规模推广还有很多材料、工艺乃至市场方面的问题需要解决。

  把庄稼种到房子里(我们把它叫作植物工厂吧),不仅可以消除恶劣天气的影响,还可以根据农作物的种类选择合适波长的光源,更可以方便地统筹安排“光、温、水、肥、气”这些主要环境因素。比如说,水的使用量就会减少很多,因为植物蒸发出去的水分可以回收利用了;一年到头都可以长庄稼了,而不再局限于春秋之间的半年时间里;不仅可以一楼长水稻,二楼长麦子,而且农作物的轮作问题也容易解决了;光源的利用也更充分了,不管早中晚,光都是直射在庄稼上,即使需要关灯让植物休息一下,也可以轮着来,一楼的白天对应着二楼的黑夜 --- 好处还多着呢,数不胜数。当然,这些好处的综合利用也离不开半导体科技,在这样的植物工厂里,各种农作物的生长因素的调度当然离不开计算机了---这可是半导体科技的拿手戏啊。

  植物工厂的普及不仅改变了传统农作物的种植方法,还会改变传统农作物的选种育苗方法。选种是个非常复杂的权衡过程,比如说,我们希望麦子的个子小(这样就不容易在狂风暴雨中倒伏)、麦穗大(这样才能产量高),而这两个属性可能是相互冲突的。如果这种麦子是要种在植物工厂里,那么我们选择的时候就可以更多地偏向于麦穗大的属性。实际上,既然植物工厂彻底改变了农作物的生长环境,那么选种育苗的原则和工序也必然要进行相应的变化。

  好了,现在我们回到开始的问题:种粮种菜这么土的活儿用得着高大上的半导体科技吗?答案就很明显了:是的,半导体科学技术正在推动农业革命的发展。




 
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