中南林业科技大学吴义强院士、何帅明教授ACS Nano：高强度、可持续且可回收的辐射制冷薄膜

近年来，全球热浪事件频发，对植物生长和农业生产力造成了深远影响。例如，澳大利亚热带雨林的冠层温度已高达46.7°C，超过了大多数植物的光合作用最适温度，导致光合作用停止和大面积叶片脱落。这种极端气候事件威胁着全球粮食和水安全，推动着先进农业热管理系统的开发。传统的主动冷却策略如通风降温和水力灌溉虽然能够缓解热应激并保护作物产量，但这些方法通常依赖高能耗操作并消耗大量资源，导致可观的碳排放。地膜覆盖作为一种有前景的替代方案，能够通过反射太阳辐射和抑制蒸发来调节根区温度和保持水分。然而，传统地膜面临环境持久性污染、机械性能不足和难以回收等问题。

针对上述挑战，中南林业科技大学吴义强院士、何帅明教授团队开发了一种坚固、可持续且可回收的辐射制冷薄膜。这种通过真空辅助分层自组装工艺构建的生物复合材料具有异质互锁结构，协同实现了98.1%的太阳反射率和93.2%的红外发射率，可实现亚环境降温。田间试验表明，与裸土和商业反光地膜相比，该材料可使平均温度分别降低4.6°C和2.4°C，同时抑制土壤蒸发并提高作物产量。该材料具有38.7 MPa的优异拉伸强度，远超商业地膜的14 MPa。尤为重要的是，研究团队引入了一种温和的水介导回收工艺，实现了超过90%的材料回收率，消除了废弃物的土壤累积问题。相关论文以“Strong, Recyclable, and Sustainable Radiative Cooler with Heterogeneous Interlocking Architecture for Agricultural Thermal Management”为题，发表在ACS Nano上。

研究团队通过真空辅助分层自组装工艺制备了这种具有异质互锁结构的不对称辐射制冷器。如图1a所示，纳米颗粒（SiO₂和h-BN）以聚乙烯醇为粘合剂嵌入连续纤维素基质中，形成异质互锁结构。图1b展示了所制备冷却器的实物照片（300 mm × 200 mm），证明了其优异的柔韧性、可卷曲性和对各种形状的适应性。图1c将这种不对称辐射冷却器与商业反光地膜在五个关键指标上进行了对比，显示出全面优势。

图1. 通过真空辅助分层自组装制备的坚固、柔韧、可持续且完全可回收的不对称辐射冷却器，具有异质互锁结构。(a) 制备过程示意图：纳米颗粒以聚乙烯醇为粘合剂嵌入连续纤维素基质中，形成异质互锁结构。(b) 所制备冷却器（300 mm × 200 mm）的照片，展示了其柔韧性、可卷曲性和对各种形状的适应性。(c) 不对称辐射冷却器与商业反光地膜在五个关键指标上的性能对比（表S1）。

通过扫描电镜观察（图2a、2b），不对称辐射冷却器呈现出非对称但整体式的双层结构，而纯纤维素膜则显示出均匀的竹微纤维结构。傅里叶变换红外光谱分析（图2c）揭示了纳米颗粒在纤维素骨架中的渗透，以及羟基峰从3330 cm⁻¹到3280 cm⁻¹的红移，表明纳米颗粒、纤维素和聚乙烯醇之间存在强氢键相互作用。X射线衍射图谱（图2d）显示了纤维素链和h-BN纳米颗粒的特征峰。X射线光电子能谱（图2e）进一步确认了SiO₂和h-BN纳米颗粒的掺入。力学性能测试（图2f、2g）表明，不对称辐射冷却器的拉伸强度达38.7 MPa，韧性为82.1 KJ/m³，分别比均匀辐射冷却器（对照组）高出1.3倍和1.12倍。

图2. 不对称辐射冷却器的形貌和化学结构。(a, b) 不对称辐射冷却器和纤维素膜的扫描电镜图像。(c) 天然竹、脱木素竹和不对称辐射冷却器的傅里叶变换红外光谱。(d) 天然竹、脱木素竹和不对称辐射冷却器的X射线衍射图谱。(e) 不对称辐射冷却器的X射线光电子能谱。(f) 均匀辐射冷却器和不对称辐射冷却器的应力-应变曲线。(g) 均匀辐射冷却器和不对称辐射冷却器的拉伸强度和韧性。

在光学性能方面（图3a），不对称辐射冷却器在太阳光谱范围内表现出更宽更强的反射谱，太阳反射率达98.1%。图3b展示了冷却器中微/纳米孔的孔径分布，这些随机分布的孔洞覆盖了紫外、可见光和近红外波长范围，有效增强了太阳反射。图3c显示理论冷却功率达112.9 W/m²。图3d将本材料与传统的石油基冷却聚合物、石油基聚合物复合材料和代表性冷却生物材料进行了对比，显示出卓越的冷却性能优势。图3e和3f展示了户外温度监测实验装置。图3g和3h记录了24小时温度曲线，显示该冷却器持续保持亚环境温度，平均降温2.8°C，最大降温达8.9°C，而对照的纤维素膜在正午温度比环境空气高出8.6°C。

图3. 不对称辐射冷却器的光学性能和冷却性能。(a) 不对称辐射冷却器和纤维素膜的太阳反射率和红外发射率。(b) 不对称辐射冷却器的孔径分布。(c) 不对称辐射冷却器的理论冷却功率。(d) 不对称辐射冷却器与常规石油基冷却聚合物、石油基聚合物复合材料以及代表性冷却生物材料（如多孔PVDF、Al₂O₃/PDMS、纤维素膜）的太阳反射率和冷却性能对比分析（表S2）。(e, f) 用于监测不对称辐射冷却器24小时温度演变的实验装置。PE表示聚乙烯（厚度：10 μm）。(g, h) 2025年8月2日在中国长沙记录的不对称辐射冷却器和纤维素膜的24小时温度曲线及其温差。

关于材料的可持续性（图4a），研究团队开发了一种温和的水介导回收策略：将碎片样品在90°C水热条件下分散0.5小时，然后通过真空辅助重组和热压工艺回收，材料回收率超过90%。图4b显示该不对称辐射冷却器的生产成本为13.4美元/公斤，比有机辐射冷却器低72.6%，比无机替代品低67.2%。图4c显示回收工艺使成本进一步降低99.2%。图4d的生命周期评估表明，与无机和有机辐射冷却器相比，回收后的不对称辐射冷却器在六个中点影响类别中的五个类别中均显示出更低的环境影响，包括化石燃料消耗减少74.4%和20.4%。

图4. 不对称辐射冷却器的绿色环境影响和循环性。(a) 不对称辐射冷却器的温和水介导回收方法示意图。(b) 常规有机/无机辐射冷却材料与不对称辐射冷却器的生产成本对比。(c) 常规有机/无机辐射冷却材料与回收后不对称辐射冷却器的生产成本对比。(d) 不对称辐射冷却器与常规有机和无机辐射冷却器（如无机冷却陶瓷和多孔聚合物）的环境影响对比。

在植物热调控应用验证中（图5a），研究团队以紫叶生菜为模式植物进行了土壤覆盖实验。图5b展示了三种不同土壤覆盖条件下的植物生长模拟：商业地膜、不对称辐射冷却器和裸土。图5c和5d显示，在24小时测量期内，不对称辐射冷却器覆盖的土壤温度始终最低，相比裸土平均降温4.6°C，最大降温10.9°C；而商业地膜仅实现平均降温2.2°C。图5e显示覆盖该冷却器的紫叶生菜光合速率达19.8 μmol CO₂ m⁻² s⁻¹，显著高于裸土和商业地膜覆盖条件。图5f显示30天生长期后，冷却器覆盖下的生菜叶长达16.1 cm，超过裸土（10.9 cm）和商业地膜（13.4 cm）条件下的植株。图5g表明冷却器覆盖下的土壤水分保持率达62.2%，远高于裸土（24.9%）和商业地膜（43.4%）。图5h和5i展示了全球温室应用中的节能分布模拟，在热带和亚热带地区峰值节能可达81.98 MJ/m²，CO₂排放可减少46.2%。

图5. 不对称辐射冷却器用于植物热管理的概念验证演示。(a) 通过不对称辐射冷却器实现土壤热管理和植物生长的示意图。(b) 在三种不同土壤覆盖条件下模拟植物生长：常规地膜、不对称辐射冷却器和裸土。(c, d) 2025年5月2日在中国长沙记录的紫叶生菜在裸土、不对称辐射冷却器覆盖土壤和商业地膜覆盖土壤条件下的24小时温度曲线及其温差。(e) 紫叶生菜在三种土壤覆盖条件下的光合速率评估：常规地膜、不对称辐射冷却器和裸土。(f) 在30天生长期内，三种土壤覆盖处理（裸土、常规地膜和不对称辐射冷却器）下紫叶生菜的叶长和生长速率监测。(g) 裸土、商业地膜覆盖土壤和不对称辐射冷却器覆盖土壤的水分保持率对比。(h) 使用不对称辐射冷却器的温室应用的全球节能分布。(i) 全球各城市有和无不均匀辐射冷却器情况下的模拟年节能效果。

综上所述，本研究开发的具有异质互锁结构的不对称辐射冷却器，通过有机-无机双相界面的折射率对比实现高效米氏散射，有效缓解热积累以支持植物生长，同时减少对高能耗冷却系统和过量用水的依赖。该材料兼具高强度、抗紫外、可折叠和可持续性等优异特性，结合超过90%的水基回收效率，为缓解全球变暖背景下作物热应激提供了一种极具前景的解决方案，对实现可持续农业热管理具有重要的科学意义和应用价值。