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)力造成了深遠影響。例如，澳大利亞熱帶雨林的冠層溫度已高達46.7°C，超過了大多數(shù)植物的光合作用最適溫度，導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降溫和水力灌溉雖然能夠緩解熱應激并保護作物產(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)科技大學吳義強院士、何帥明教授團隊開發(fā)了一種堅固、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)建的生物復合材料具有異質(zhì)互鎖結(jié)構(gòu)，協(xié)同實現(xiàn)了98.1%的太陽反射率和93.2%的紅外發(fā)射率，可實現(xiàn)亞環(huán)境降溫。田間試驗表明，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)異拉伸強度，遠超商業(yè)地膜的14 MPa。尤為重要的是，研究團隊引入了一種溫和的水介導回收工藝，實現(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。

研究團隊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)鍵指標上進行了對比，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）進一步確認了SiO?和h-BN納米顆粒的摻入。力學性能測試（圖2f、2g）表明，不對稱輻射冷卻器的拉伸強度達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力-應變曲線。(g) 均勻輻射冷卻器和不對稱輻射冷卻器的拉伸強度和韌性。

在光學性能方面（圖3a），不對稱輻射冷卻器在太陽光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出更寬更強的反射譜，太陽反射率達98.1%。圖3b展示了冷卻器中微/納米孔的孔徑分布，這些隨機分布的孔洞覆蓋了紫外、可見光和近紅外波長范圍，有效增強了太陽反射。圖3c顯示理論冷卻功率達112.9 W/m2。圖3d將本材料與傳統(tǒng)的石油基冷卻聚合物、石油基聚合物復合材料和代表性冷卻生物材料進行了對比，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)測實驗裝置。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小時溫度演變的實驗裝置。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），研究團隊開發(fā)了一種溫和的水介導回收策略：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，比有機輻射冷卻器低72.6%，比無機替代品低67.2%。圖4c顯示回收工藝使成本進一步降低99.2%。圖4d的生命周期評估表明，與無機和有機輻射冷卻器相比，回收后的不對稱輻射冷卻器在六個中點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回收方法示意圖。(b) 常規(guī)有機/無機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/無機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)有機和無機輻射冷卻器（如無機冷卻陶瓷和多孔聚合物）的環(huán)境影響對比。

在植物熱調(diào)控應用驗證中（圖5a），研究團隊以紫葉生菜為模式植物進行了土壤覆蓋實驗。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62.2%，遠高于裸土（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證演示。(a) 通過不對稱輻射冷卻器實現(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-無機雙相界面的折射率對比實現(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激提供了一種極具前景的解決方案，對實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)熱管理具有重要的科學意義和應用價值。