中科大刘文&李明ACS Photonics：一种低成本、可大规模生产的缓解植物热胁迫的聚合物多层辐射冷却膜

论文信息：Jiang, S.; Li, M.; Hu, Z.; Zhang, F.; Zhang, X.; Liu, W.; Omer, A. A. A.; Lv, H. A Low-Cost and Large-Scale Producible Polymer Multilayer Radiative Cooling Film for Reducing Plant Heat Stress. ACS Photonics 2024.

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c02043

研究背景

随着全球变暖的加剧，高温干旱天气频发。持续性的高温干旱环境使农作物长期处于热应激状态，从而影响农作物产量。微雾喷淋、湿帘风机等传统的降温方式往往需要消耗大量能源和水，进一步加剧了淡水危机。光谱选择性辐射冷却膜已经被证明是缓解植物热胁迫的有效方式，该膜可零能耗的降低温室内部的空气温度、土壤温度和土壤水分蒸发量，可有效的促进植物生长。然而，现有的光谱选择性辐射冷却膜大多依靠真空镀膜方法来满足植物生长所需的光谱要求，这使得其往往具有高成本和生产加工速度较低的缺点，不利于其大规模推广应用，特别是在经济欠发达地区，其应用将进一步受阻。

研究内容

中国科学技术大学刘文教授、李明副研究员课题组 提出了一种利用基于聚合物多层干涉原理的光谱选择性辐射冷却膜(PMF-RC膜)来缓解植物热胁迫的策略。PMF-RC膜由两个不同的聚合物多层膜系和一个透明聚合物辐射制冷材料组成，可选择性地透过用于农作物生长的光合有效辐射，反射植物叶片利用率较低的绿光和近红外光，并具有优异的辐射制冷性能，实现了零能耗地降低空气温度、土壤温度和土壤水分蒸发量，并显著提升了高温环境下作物的产量。

直接暴露在强烈的太阳辐射下的植物长时间处于高温和干旱的环境，严重阻碍了它们的生长。光谱选择性辐射冷却膜具有较高的红外发射性能，不仅可以选择性地传递光合有效辐射（PAR），还可以增强对寒冷的外层空间的传热，有效减少了植物的热应激，促进了高温环境下的生长。此外，辐射冷却膜可以降低水蒸发的速度，缓解缺水问题。理想的光谱选择性辐射冷却膜应至少满足两个要求：(1)在光合有效辐射范围（主要为0.4 ~ 0.5 μm和0.6 ~ 0.7 μm）内具有高透射率，同时能反射太阳光谱的其余部分；(2)在大气窗口（主要为8 ~ 13 μm）内具有高发射率，以最大限度地输出热量。事实上，实现如此严格的光谱特征是一项重大挑战。因此，本文提出了一种PMF-RC膜，其由两个不同的聚合物多层膜系和一个透明聚合物辐射制冷材料组成，两个聚合物多层膜系分别用于反射绿光和近红外光，透明聚合物辐射制冷材料用以实现高效的辐射制冷。

图1. PMF-RC膜的原理和结构示意图

不同于以往研究，本文使用成熟的聚合物多层共挤技术制备，可实现快速且大面积的制备。PMF-RC膜可有效的降低温室内部的温度。在户外测试中，相较于传统的覆盖农膜(PE膜)和露天环境，PMF-RC膜覆盖后使空气温度下降了2.3-5.0℃、土壤表面以下3cm处的温度下降了2.1-4.1℃、土壤水分蒸发量下降了11.2-32.4%。

图2. PMF-RC膜的冷却和节水效果

在实际的户外种植实验中，以落葵、意大利生菜和中国小青菜为实验指示作物，在PMF-RC膜下生长的植物的产量均有明显提升，其中，落葵的产量提升了约21.2%-78.5%，意大利生菜和中国小青菜的产量提升了约1-3倍。

图3. PMF-RC膜促进植物生长的效果

结论与展望

文中作者提出了一种利用聚合物多层辐射冷却膜缓解植物热应激的策略，并通过使用三种不同聚酯材料制备的聚合物多层辐射冷却膜验证了该策略的可行性。聚合物多层辐射冷却膜可以选择性地传输光合有效辐射，具有优良的辐射冷却效果。田间试验结果表明，聚合物多层辐射冷却膜能显著降低空气温度（2.3 ~ 5℃）、土壤温度（2.1 ~ 4.1℃）和土壤水分蒸发（11.2 ~ 32.4%），显著提高植物生物量产量（21.1 ~ 195.9%）。此外，基于成熟的多层共挤技术的聚合物多层辐射冷却膜可以快速、低成本地制备。

虽然PMF-RC膜是一种很有前途的解决方案，具有缓解植物热胁迫的潜力，但仍有一些问题需要进一步的研究和发展。首先，PMF-RC薄膜的主要局限性在于其近红外（NIR）反射率不足，这一问题可以通过增加聚合物多层膜堆的数量或复合近红外反射层来解决。其次，因为PMF-RC膜的制备主要采用传统的聚酯聚合物，所以PMF-RC膜对环境的潜在影响需要进一步研究，而解决该问题的方法多种多样，如合理农膜的使用、促进农膜的回收再利用等。此外，目前的试验规模和持续时间非常有限，需要更长的现场试验来评估PMF-RC膜的效果。此外，不同地区的气候条件存在显著差异，未来还需要进行多次现场试验来评估PMF-RC膜在不同气候条件下的冷却性能。本文为大规模应用辐射冷却技术缓解植物热应激提供了新的策略，提出了一种减少植物热胁迫的实用方法，从而最大限度地减少资源消耗，减轻全球变暖的不利影响。