中南林業(yè)科技大學(xué)吳義強(qiáng)院士、何帥明教授ACS Nano：高強(qiáng)度、可持續(xù)且可回收的輻射制冷薄膜

近年來，全球熱浪事件頻發(fā)，對植物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力造成了深遠(yuǎn)影響。例如，澳大利亞熱帶雨林的冠層溫度已高達(dá)46.7°C，超過了大多數(shù)植物的光合作用最適溫度，導(dǎo)致光合作用停止和大面積葉片脫落。這種極端氣候事件威脅著全球糧食和水安全，推動著先進(jìn)農(nóng)業(yè)熱管理系統(tǒng)的開發(fā)。傳統(tǒng)的主動冷卻策略如通風(fēng)降溫和水力灌溉雖然能夠緩解熱應(yīng)激并保護(hù)作物產(chǎn)量，但這些方法通常依賴高能耗操作并消耗大量資源，導(dǎo)致可觀的碳排放。地膜覆蓋作為一種有前景的替代方案，能夠通過反射太陽輻射和抑制蒸發(fā)來調(diào)節(jié)根區(qū)溫度和保持水分。然而，傳統(tǒng)地膜面臨環(huán)境持久性污染、機(jī)械性能不足和難以回收等問題。

針對上述挑戰(zhàn)，中南林業(yè)科技大學(xué)吳義強(qiáng)院士、何帥明教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種堅(jiān)固、可持續(xù)且可回收的輻射制冷薄膜。這種通過真空輔助分層自組裝工藝構(gòu)建的生物復(fù)合材料具有異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)了98.1%的太陽反射率和93.2%的紅外發(fā)射率，可實(shí)現(xiàn)亞環(huán)境降溫。田間試驗(yàn)表明，與裸土和商業(yè)反光地膜相比，該材料可使平均溫度分別降低4.6°C和2.4°C，同時抑制土壤蒸發(fā)并提高作物產(chǎn)量。該材料具有38.7 MPa的優(yōu)異拉伸強(qiáng)度，遠(yuǎn)超商業(yè)地膜的14 MPa。尤為重要的是，研究團(tuán)隊(duì)引入了一種溫和的水介導(dǎo)回收工藝，實(shí)現(xiàn)了超過90%的材料回收率，消除了廢棄物的土壤累積問題。相關(guān)論文以“Strong, Recyclable, and Sustainable Radiative Cooler with Heterogeneous Interlocking Architecture for Agricultural Thermal Management”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究團(tuán)隊(duì)通過真空輔助分層自組裝工藝制備了這種具有異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)的不對稱輻射制冷器。如圖1a所示，納米顆粒（SiO?和h-BN）以聚乙烯醇為粘合劑嵌入連續(xù)纖維素基質(zhì)中，形成異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)。圖1b展示了所制備冷卻器的實(shí)物照片（300 mm × 200 mm），證明了其優(yōu)異的柔韌性、可卷曲性和對各種形狀的適應(yīng)性。圖1c將這種不對稱輻射冷卻器與商業(yè)反光地膜在五個關(guān)鍵指標(biāo)上進(jìn)行了對比，顯示出全面優(yōu)勢。

圖1. 通過真空輔助分層自組裝制備的堅(jiān)固、柔韌、可持續(xù)且完全可回收的不對稱輻射冷卻器，具有異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)。(a) 制備過程示意圖：納米顆粒以聚乙烯醇為粘合劑嵌入連續(xù)纖維素基質(zhì)中，形成異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)。(b) 所制備冷卻器（300 mm × 200 mm）的照片，展示了其柔韌性、可卷曲性和對各種形狀的適應(yīng)性。(c) 不對稱輻射冷卻器與商業(yè)反光地膜在五個關(guān)鍵指標(biāo)上的性能對比（表S1）。

通過掃描電鏡觀察（圖2a、2b），不對稱輻射冷卻器呈現(xiàn)出非對稱但整體式的雙層結(jié)構(gòu)，而純纖維素膜則顯示出均勻的竹微纖維結(jié)構(gòu)。傅里葉變換紅外光譜分析（圖2c）揭示了納米顆粒在纖維素骨架中的滲透，以及羥基峰從3330 cm?1到3280 cm?1的紅移，表明納米顆粒、纖維素和聚乙烯醇之間存在強(qiáng)氫鍵相互作用。X射線衍射圖譜（圖2d）顯示了纖維素鏈和h-BN納米顆粒的特征峰。X射線光電子能譜（圖2e）進(jìn)一步確認(rèn)了SiO?和h-BN納米顆粒的摻入。力學(xué)性能測試（圖2f、2g）表明，不對稱輻射冷卻器的拉伸強(qiáng)度達(dá)38.7 MPa，韌性為82.1 KJ/m3，分別比均勻輻射冷卻器（對照組）高出1.3倍和1.12倍。

圖2. 不對稱輻射冷卻器的形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)。(a, b) 不對稱輻射冷卻器和纖維素膜的掃描電鏡圖像。(c) 天然竹、脫木素竹和不對稱輻射冷卻器的傅里葉變換紅外光譜。(d) 天然竹、脫木素竹和不對稱輻射冷卻器的X射線衍射圖譜。(e) 不對稱輻射冷卻器的X射線光電子能譜。(f) 均勻輻射冷卻器和不對稱輻射冷卻器的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(g) 均勻輻射冷卻器和不對稱輻射冷卻器的拉伸強(qiáng)度和韌性。

在光學(xué)性能方面（圖3a），不對稱輻射冷卻器在太陽光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出更寬更強(qiáng)的反射譜，太陽反射率達(dá)98.1%。圖3b展示了冷卻器中微/納米孔的孔徑分布，這些隨機(jī)分布的孔洞覆蓋了紫外、可見光和近紅外波長范圍，有效增強(qiáng)了太陽反射。圖3c顯示理論冷卻功率達(dá)112.9 W/m2。圖3d將本材料與傳統(tǒng)的石油基冷卻聚合物、石油基聚合物復(fù)合材料和代表性冷卻生物材料進(jìn)行了對比，顯示出卓越的冷卻性能優(yōu)勢。圖3e和3f展示了戶外溫度監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置。圖3g和3h記錄了24小時溫度曲線，顯示該冷卻器持續(xù)保持亞環(huán)境溫度，平均降溫2.8°C，最大降溫達(dá)8.9°C，而對照的纖維素膜在正午溫度比環(huán)境空氣高出8.6°C。

圖3. 不對稱輻射冷卻器的光學(xué)性能和冷卻性能。(a) 不對稱輻射冷卻器和纖維素膜的太陽反射率和紅外發(fā)射率。(b) 不對稱輻射冷卻器的孔徑分布。(c) 不對稱輻射冷卻器的理論冷卻功率。(d) 不對稱輻射冷卻器與常規(guī)石油基冷卻聚合物、石油基聚合物復(fù)合材料以及代表性冷卻生物材料（如多孔PVDF、Al?O?/PDMS、纖維素膜）的太陽反射率和冷卻性能對比分析（表S2）。(e, f) 用于監(jiān)測不對稱輻射冷卻器24小時溫度演變的實(shí)驗(yàn)裝置。PE表示聚乙烯（厚度：10 μm）。(g, h) 2025年8月2日在中國長沙記錄的不對稱輻射冷卻器和纖維素膜的24小時溫度曲線及其溫差。

關(guān)于材料的可持續(xù)性（圖4a），研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種溫和的水介導(dǎo)回收策略：將碎片樣品在90°C水熱條件下分散0.5小時，然后通過真空輔助重組和熱壓工藝回收，材料回收率超過90%。圖4b顯示該不對稱輻射冷卻器的生產(chǎn)成本為13.4美元/公斤，比有機(jī)輻射冷卻器低72.6%，比無機(jī)替代品低67.2%。圖4c顯示回收工藝使成本進(jìn)一步降低99.2%。圖4d的生命周期評估表明，與無機(jī)和有機(jī)輻射冷卻器相比，回收后的不對稱輻射冷卻器在六個中點(diǎn)影響類別中的五個類別中均顯示出更低的環(huán)境影響，包括化石燃料消耗減少74.4%和20.4%。

圖4. 不對稱輻射冷卻器的綠色環(huán)境影響和循環(huán)性。(a) 不對稱輻射冷卻器的溫和水介導(dǎo)回收方法示意圖。(b) 常規(guī)有機(jī)/無機(jī)輻射冷卻材料與不對稱輻射冷卻器的生產(chǎn)成本對比。(c) 常規(guī)有機(jī)/無機(jī)輻射冷卻材料與回收后不對稱輻射冷卻器的生產(chǎn)成本對比。(d) 不對稱輻射冷卻器與常規(guī)有機(jī)和無機(jī)輻射冷卻器（如無機(jī)冷卻陶瓷和多孔聚合物）的環(huán)境影響對比。

在植物熱調(diào)控應(yīng)用驗(yàn)證中（圖5a），研究團(tuán)隊(duì)以紫葉生菜為模式植物進(jìn)行了土壤覆蓋實(shí)驗(yàn)。圖5b展示了三種不同土壤覆蓋條件下的植物生長模擬：商業(yè)地膜、不對稱輻射冷卻器和裸土。圖5c和5d顯示，在24小時測量期內(nèi)，不對稱輻射冷卻器覆蓋的土壤溫度始終最低，相比裸土平均降溫4.6°C，最大降溫10.9°C；而商業(yè)地膜僅實(shí)現(xiàn)平均降溫2.2°C。圖5e顯示覆蓋該冷卻器的紫葉生菜光合速率達(dá)19.8 μmol CO? m?2 s?1，顯著高于裸土和商業(yè)地膜覆蓋條件。圖5f顯示30天生長期后，冷卻器覆蓋下的生菜葉長達(dá)16.1 cm，超過裸土（10.9 cm）和商業(yè)地膜（13.4 cm）條件下的植株。圖5g表明冷卻器覆蓋下的土壤水分保持率達(dá)62.2%，遠(yuǎn)高于裸土（24.9%）和商業(yè)地膜（43.4%）。圖5h和5i展示了全球溫室應(yīng)用中的節(jié)能分布模擬，在熱帶和亞熱帶地區(qū)峰值節(jié)能可達(dá)81.98 MJ/m2，CO?排放可減少46.2%。

圖5. 不對稱輻射冷卻器用于植物熱管理的概念驗(yàn)證演示。(a) 通過不對稱輻射冷卻器實(shí)現(xiàn)土壤熱管理和植物生長的示意圖。(b) 在三種不同土壤覆蓋條件下模擬植物生長：常規(guī)地膜、不對稱輻射冷卻器和裸土。(c, d) 2025年5月2日在中國長沙記錄的紫葉生菜在裸土、不對稱輻射冷卻器覆蓋土壤和商業(yè)地膜覆蓋土壤條件下的24小時溫度曲線及其溫差。(e) 紫葉生菜在三種土壤覆蓋條件下的光合速率評估：常規(guī)地膜、不對稱輻射冷卻器和裸土。(f) 在30天生長期內(nèi)，三種土壤覆蓋處理（裸土、常規(guī)地膜和不對稱輻射冷卻器）下紫葉生菜的葉長和生長速率監(jiān)測。(g) 裸土、商業(yè)地膜覆蓋土壤和不對稱輻射冷卻器覆蓋土壤的水分保持率對比。(h) 使用不對稱輻射冷卻器的溫室應(yīng)用的全球節(jié)能分布。(i) 全球各城市有和無不均勻輻射冷卻器情況下的模擬年節(jié)能效果。

綜上所述，本研究開發(fā)的具有異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)的不對稱輻射冷卻器，通過有機(jī)-無機(jī)雙相界面的折射率對比實(shí)現(xiàn)高效米氏散射，有效緩解熱積累以支持植物生長，同時減少對高能耗冷卻系統(tǒng)和過量用水的依賴。該材料兼具高強(qiáng)度、抗紫外、可折疊和可持續(xù)性等優(yōu)異特性，結(jié)合超過90%的水基回收效率，為緩解全球變暖背景下作物熱應(yīng)激提供了一種極具前景的解決方案，對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)熱管理具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。