南京大学两大「国家杰青」团队，最新Nature Sustainability！一张膜，跨学科解决“水-粮食-能源”危机！

成果介绍

通过植物光合作用封存大气中的二氧化碳有助于减缓气候变化，同时提供其他生态效益。然而，高温和干旱胁迫会限制植物生长，从而限制植被的缓解潜力，特别是在干旱地区。

南京大学朱斌副教授、张永光教授、朱嘉教授等人提出了一种具有有效光合作用的辐射冷却膜，可以降低环境空气温度，最大限度地减少水分蒸发，增加旱地植物的光合作用。该薄膜包括夹在聚二甲基硅氧烷和防雾聚丙烯酰胺水凝胶层之间的光子晶体层。聚二甲基硅氧烷层具有较高的中红外发射率(波长在2.5-20 μm范围内为92%)，可以实现最大的辐射冷却；光子晶体可以选择性地透射光合活性阳光(波长在0.4-0.5 μm范围内为71%，波长在0.6-0.7 μm范围内为77%)，促进光合作用；聚丙烯酰胺层可以防止遮阳效应，从而支持植物生长。

田间试验结果表明，覆膜可降低气温1.9~4.6℃，降低水分蒸发2.1~31.9%，使植物生物量产量提高20~370%。根据评估，在全球范围内，与不使用薄膜的情况相比，在旱地植物上应用薄膜可导致碳汇增加约40%(2.26±1.43 PgC yr^-1)。这项工作强调了下一代技术的发展，这些技术可以解决气候变化的水-粮食-能源关系。

相关工作以《A photosynthetically active radiative cooling film》为题在《Nature Sustainability》上发表论文。

图文导读

图1 PRCF的设计和表征

作者进行了建模研究，以确定有效支持旱地植物生长的最佳方法(图1b)。结果表明，蒸散发引起的气温变化率和耗水量在很大程度上取决于净辐射能输入。光合作用的基本过程使用非常特定的太阳光谱范围(主要是0.4-0.5和0.6-0.7 μm)。因此，辐射能量管理显然是控制凉爽潮湿环境以支持干旱地区植物生长的关键。辐射冷却是一种被动的冷却过程，在不需要任何外部能源消耗的情况下，反射入射太阳光(0.3~2.5 μm)，将红外热能(2.5~20 μm)发射到周围环境和外太空，在过去的十年中为一系列研究提供了很大的灵感。然而，为了最大限度地提高冷却性能，大多数传统设计反射几乎所有入射阳光(0.3-2.5 μm)，从而禁止植物光合作用(需要光合有效辐射)。

因此，在实现光合作用的同时，将增温效应降至最低的光合辐射冷却材料应允许光合作用所需的太阳光透过(0.4-0.5和0.6-0.7 μm)，反射剩余的太阳光(~70%，如图1c、d所示)，并在中红外波长(2.5-20 μm)表现出高发射率，将热流传递给周围环境和外层空间。为了防止植物和土壤的蒸发蒸腾作用产生的水汽凝结产生遮阳效应(10-25%的光学损失)，也需要防雾能力，这影响了光合作用所需的透光性。

在此背景下，作者开发了一种光合活性辐射冷却膜(PRCF)，用于冷却环境空气温度，减少水分蒸发，从而在不消耗能量的情况下增强炎热干旱环境下的植物光合作用。该薄膜由三明治结构组成，在有效发射中红外波长范围内的热能的同时，可以传输植物生长所需的有效太阳光成分。PRCF具有夹层结构，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)辐射层，层在衬底上的一维(1D)光子晶体和聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶，以实现高选择性光学光谱管理和防雾能力(图1e)。

本文采用80 nm SiO₂/110 nm TiO₂/140 nm SiO₂/8 nm Al₂O₃/17 nm Ag/8 nm Al₂O₃/188 nm TiO₂/65 nm SiO₂/85 nm TiO₂的九层结构对一维光子晶体进行优化，可以选择性地透射波长为0.4~0.5 μm和0.6~0.7 μm的太阳光，同时反射剩余的太阳光(图1f、g)。最后，底部的PAM水凝胶层在0.3~1.0 μm(>0.99)波长范围内具有较高的透明度，通过控制稳定的薄膜凝结，使水蒸气在PRCF上的凝结不会阻挡波长为0.4~0.5和0.6~0.7 μm的太阳光的透射，从而起到防雾作用(图1h)。

图2 冷却与节水性能

然后，通过室外温度操纵实验评估了PRCF的被动冷却和节水效果。采用聚氯乙烯(PVC)制成的传统温室薄膜、紫外-近红外(UV-NIR)滤光片(冷却植物的一种很有前途的候选材料，但尚未大规模应用)和没有任何覆盖物的外壳作为对照(图2a)。PVC薄膜在太阳光的整个波长范围内具有0.87的高透明度，而UV-NIR滤光片通过反射或吸收的方式透射太阳光的整个可见波长范围(0.38-0.78 μm)(图2b)。PVC膜和UV-NIR滤光片的中红外发射率均低于PRCF。

接下来，根据图2b所示的光谱进行辐射能量分析。结果表明，PRCF具有最低的总阳光输入(包括透射和吸收)。值得注意的是，如图2c中的白线所示(测量400-500 nm和600-700 nm光的透射)，PRCF传输的植物光合作用有效的阳光水平与两个对照组相似(PRCF、UV- NIR滤光片和PVC膜分别为210、176和245 W m^-2)，同时大大减少了其他波长的阳光输入。PRCF、UV-NIR滤光片和PVC膜对应的比值分别为1.14、2.58和2.77，验证了PRCF设计用于光合作用有效太阳光波长的光学选择。

此外，PRCF具有较高的中红外发射率，有助于增加辐射输出(图2d)。因此，与UV-NIR滤光片和PVC膜相比，PRCF在覆盖材料平面上的辐射热负荷分别减少了220和543 W m^-2(图2e)。因此，预计PRCF将实现最有效的冷却和节水效果。

三个对照组的结果与能量分析的预期一致(图2f)。PRCF产生的最低气温为35.4℃，比UV-NIR滤光片、PVC膜和无覆盖物情景分别低2.4℃、4.6℃和1.9℃。对不同覆盖条件下土壤温度的分析表明，PRCF的土壤温度最低(图2g)。因此，与UV-NIR过滤器、PVC膜和无覆盖物相比，PRCF分别减缓了土壤水分蒸发2.1%、16.8%和31.9%(图2h)。

图3 植物栽培试验

在验证了PRCF优异的制冷和节水性能后，评价其在室外植物栽培中的应用是非常重要的。因此，作者设计了三个具有不同覆盖物的米尺度室，即PRCF(图3a)， UV-NIR滤光片和PVC膜，并将结果与露天栽培的植物作为对照进行比较。图3b显示了生菜在PRCF、UV-NIR过滤器、PVC薄膜和露天环境下生长的生理状态。在高温和蒸散作用下，露天和PVC膜和UV-NIR滤膜下生长的生菜无法存活。相比之下，PRCF优异的冷却和节水性能可以防止生菜枯萎。鲜重试验(图3c)显示，在PRCF下获得的生物量产量是其他三种条件下的两倍以上。

同样，由于鲜重(图3e)、干重和最终豆荚产量(图3f)的支持，大豆植株在PRCF下表现出相当大的生长(图3d)。

此外，PRCF下大豆植株的光合速率(光能利用效率)达到10.9 μmol CO2 m^-2 s^-1(3.3%)，分别是UV-NIR滤光器、PVC膜和无覆盖物下的1.5倍(2.1倍)、1.6倍(2.1倍)和1.7倍(5.8倍)(图3g)。在较温和的温度和水分条件下，植物的光能利用效率和光合速率较高。上述结果表明，由于PRCF具有优异的冷却和节水能力，它可以在干热条件下提高植物产量，包括蔬菜和食品。

图4 应用PRCF对全球旱地影响的计算

作者从理论上评价了典型旱地和裸地(地表面积分别为~39和~69 Mha)地温、蒸散量和叶面积指数的变化；图4a)。与未经处理的基线情景相比，PRCF使旱地的平均地面温度降低5.6°C，使裸地的平均地面温度降低3.1°C。由于温度降低，裸地的蒸散量减少了12%。在旱地，这种影响几乎不明显(0.3%)，这可以归因于温度下降和植被覆盖增加导致的蒸腾增加之间的权衡。

PRCF增强旱地和裸地碳固存的潜力分别如图4b和c所示。红黄图显示，PRCF能够增加旱地(284.65±42.33 gC m^-2 yr^-1，基线:247.92±58.55 gC m^-2 yr^-1)和裸地(25.37±12.12 gC m^-2 yr^-1，基线:87.63±38.56 gC m^-2 yr^-1)的净生态系统生产力，从而使旱地和裸地的碳库分别增加115%和29%。此外，作者利用PRCF计算了全球旱地和裸地的净生态系统生产力(图4d)。可以估计，与基线相比，PRCF使全球大多数旱地和裸地植物的净生态系统生产力分别增加了39%和67%。

文献信息

A photosynthetically active radiative cooling film，Nature Sustainability，2024. https://www.nature.com/articles/s41893-024-01350-6

原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/05/27/a598d2c533/

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