文献前沿丨Nano Lett.：具有动态温度调节功能的透明纳米光子薄膜，用于提高作物产量

近年来，透明纳米光子薄膜因具有动态光谱调控能力、高可见光透过率和节能环保等特性，在可持续农业温室领域展现出巨大潜力。现有技术存在三重局限：(1)传统覆盖材料（如聚乙烯）虽透明但近红外透过率高，导致热负荷过大；(2)静态辐射材料无法适应动态气候，冬季固定冷却模式反而增加能耗；(3)多数材料缺乏光散射功能，造成作物损害。针对这些问题，论文开发了一种基于TiO₂/Ag/TiO₂（TAT）抗反射纳米结构的柔性薄膜（TATP），该薄膜通过机械拉伸可实现：1）79.2%的可见光透过率与75.3%的可调雾度，优化植株冠层光分布；2）按需切换动态红外发射率，白天辐射冷却（80%拉伸态）与夜间保温（松弛态）协同维持作物最适温度区间；3）优越的耐久性。室外试验表明，相比商用薄膜，TATP覆盖的温室使马铃薯生物量提升106.4%，全球模拟预测平均增产300g/m²，可以有效实现温室农业的节能增效和作物增产。相关工作以Transparent Nanophotonic Films with Dynamic Thermoregulation for Boosting Crop Yields为题发表在Nano Letters期刊。

本文从温室面临的能源消耗大、温度波动剧烈的实际问题出发，研究团队通过设计如图1所示的三明治结构纳米光子薄膜，结合抗反射原理和FDTD电磁模拟，成功制备出兼具高可见光透过率与可调长波红外发射率（0.09-0.51）的柔性材料TATP。其核心创新在于通过机械应变实现光谱动态调控和可控雾度：白天高发射率状态通过辐射冷却降低温度，在冷却模式下，80%应变的TATP保持79.2%可见光透过率、56.3%近红外反射率及0.51长波红外发射率，雾度为75.3%；夜间低发射率状态减少热损失，在保温模式下，TATP完全释放（0%应变），⻓波红外发射率降至0.09，雾度为1.4%。此外，TATP薄膜在0%至80%应变之间经过约3000次拉伸循环仍保持性能稳定（图2）。在户外实验中，TATP薄膜使温室昼夜空气/土壤温差分别降低6.67°C和7.98°C，净能量增益比传统PE膜减少163 W/m²，在⻢铃薯种植试验中，TATP使单株鲜重较PE膜提升106.4%，块茎均匀性显著提高（图3）。全球气候模拟表明该技术可使高原地区作物增产25%，全球生物量提升300 g/m²。理论分析还表明其在类地行星农业中具应用潜力，能将开普勒-160行星的作物产量提高140.7 g/m²（图4）。

图1.用于节能温室动态热调节的三氨基三嗪（TATP）薄膜的设计与光学特性。(a)配备动态热管理TATP薄膜的智能温室概念图。白天有阳光时，TATP温室薄膜会散射入射光、反射近红外光，并具有高红外发射率。在阴天和夜晚，纳米光子薄膜呈现低红外发射率。(b) TATP薄膜在松弛状态（左）和拉伸状态（右）的示意图。(c) TATP薄膜在不同界面的反射特性。这种纳米结构增强了光的透射。(d)展示了支撑在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上的柔性TATP薄膜的照片。1.2米厚的薄膜展现出优异的机械柔韧性，可随意弯曲。比例尺：0.1米。(e)显示支撑在PET支撑层上的米级TATP薄膜具有高光学透明度的照片。比例尺：0.1米。(f)纳米结构的横截面显微镜图像。比例尺：25纳米。(g)纳米结构的能谱图。比例尺：25纳米。(h)在不同拉伸应变下测量的TATP薄膜的透射率（0.25 - 2.5μm）和发射率（8 – 13μm）光谱。(i) TATP薄膜在不同应变下的平均光学雾度和透射率。

图2.可见光和热学可调特性。(a) TATP薄膜在0%、40%和80%应变下的光学图像（上）、扫描电子显微镜（SEM）图像（中）和三维（3D）表面轮廓仪图像（下）。两幅示意图（右）展示了与SEM图像（左）对应的褶皱和裂纹结构。(b)具有纳米级褶皱表面的TATP薄膜对可见光的远场投影。(c)农田场景示意图，聚焦在样品上的激光代表入射阳光。(d)掩模投影展示了雾度对作物生长光分布的影响。(e)微裂纹表面在10.5 μm波长处的电场分布。白线代表厚度为80 nm的纳米光子薄膜。(f)表观温度测量的实验装置。(g) TATP薄膜在不同应变下的热成像图。室温为20 °C。(h)在3000次机械循环（0 - 80%应变）下的表观温度稳定性。

图3.节能动态热调节及其对作物生物量协同效益的实地验证。(a, b)实验装置展示了覆盖有TATP膜、PC板、PE膜的植物以及未覆盖的对照组。(c)说明热调节装置工作原理的示意图。(d)假设太阳辐照度为1 kW/m²时，计算得到的到达覆盖有TATP膜、PC板和PE膜的植物的入射太阳能功率。白色水平线表示用于植物光合作用的太阳能波段（400 - 500和600 - 700 nm）。(e)计算得到的三种植物在白天的能量流功率，包括太阳光输入和长波红外辐射输出。TATP膜的应变率为80%。假设环境温度为40 °C。三种装置的温度与环境温度相同。(f)仅考虑长波红外辐射输出时，三种植物在夜间的能量流功率。TATP膜的应变率为0%。假设环境温度为10 °C。三种装置的温度与环境温度相同。(g, h) 24小时内，记录的TATP膜下和三个对照组下的空气(g)和土壤温度波动(h)的比较。土壤温度变化是在相同条件下2厘米深度处记录的。(i)生长50天后的代表性植物。比例尺：10厘米。(j)收获的马铃薯作物（详情见图S29）。比例尺：5厘米。(k)单株鲜重。(k)中的数据表示为平均值±标准差（n = 5）；误差线表示测量差异。

图4.地球及类地行星在温室温度控制和增产方面的潜力。(a, b)预测TATP薄膜在（a）美国（新墨西哥州和得克萨斯州）以及（b）中国（西藏和海南）的阴天和晴天条件下对温室冠层温度调节的影响。数据表示典型天气条件下的最高和最低温度。(c)预测在美国（左上）、中国（右上）和全球（下）种植场景下120天的增产情况（TATP薄膜减去商用薄膜）。模型结果凸显了TATP薄膜在广泛提高农业生产力、节约能源和增强气候适应能力方面的潜力。

小结：综上所述，为解决温室农业中传统覆盖材料能源消耗高且温度调控能力有限的关键问题，本研究开发了一种光谱动态调控且雾度可控的纳米光子薄膜TATP，实现对作物生长环境的动态自适应调节。该薄膜采用TiO₂/Ag/TiO₂多层纳米设计与PDMS基底复合，通过机械应变调控红外发射率与光散射能力，在白天高辐照条件下，薄膜通过增强红外发射实现辐射降温；夜间则切换至低发射状态抑制热量散失，从而有效稳定温室昼夜温差。结合其优异的光散射性能，该薄膜进一步优化了冠层光分布，促进光合效率。实地种植结果显示，TATP显著提升马铃薯产量。这一设计有效促了进动态热管理薄膜的发展，为低碳、高产的现代农业提供了具备实际推广潜力的技术路径。

论文信息：Zhang Y, Wang H, SunY, Wang P, Zhang M, Xiao C, Li J, Lou X, Cui X, Zhang D, Zhou H. Transparent Nanophotonic Films with Dynamic Thermoregulation for Boosting Crop Yields. Nano Letters, 2026.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn