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南京大學(xué)兩大「國(guó)家杰青」團(tuán)隊(duì)，最新Nature Sustainability！一張膜，跨學(xué)科解決“水-糧食-能源”危機(jī)！

成果介紹

通過(guò)植物光合作用封存大氣中的二氧化碳有助于減緩氣候變化，同時(shí)提供其他生態(tài)效益。然而，高溫和干旱脅迫會(huì)限制植物生長(zhǎng)，從而限制植被的緩解潛力，特別是在干旱地區(qū)。

南京大學(xué)朱斌副教授、張永光教授、朱嘉教授等人提出了一種具有有效光合作用的輻射冷卻膜，可以降低環(huán)境空氣溫度，最大限度地減少水分蒸發(fā)，增加旱地植物的光合作用。該薄膜包括夾在聚二甲基硅氧烷和防霧聚丙烯酰胺水凝膠層之間的光子晶體層。聚二甲基硅氧烷層具有較高的中紅外發(fā)射率(波長(zhǎng)在2.5-20 μm范圍內(nèi)為92%)，可以實(shí)現(xiàn)最大的輻射冷卻；光子晶體可以選擇性地透射光合活性陽(yáng)光(波長(zhǎng)在0.4-0.5 μm范圍內(nèi)為71%，波長(zhǎng)在0.6-0.7 μm范圍內(nèi)為77%)，促進(jìn)光合作用；聚丙烯酰胺層可以防止遮陽(yáng)效應(yīng)，從而支持植物生長(zhǎng)。

田間試驗(yàn)結(jié)果表明，覆膜可降低氣溫1.9~4.6℃，降低水分蒸發(fā)2.1~31.9%，使植物生物量產(chǎn)量提高20~370%。根據(jù)評(píng)估，在全球范圍內(nèi)，與不使用薄膜的情況相比，在旱地植物上應(yīng)用薄膜可導(dǎo)致碳匯增加約40%(2.26±1.43 PgC yr^-1)。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了下一代技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)可以解決氣候變化的水-糧食-能源關(guān)系。

相關(guān)工作以《A photosynthetically active radiative cooling film》為題在《Nature Sustainability》上發(fā)表論文。

圖文導(dǎo)讀

圖1 PRCF的設(shè)計(jì)和表征

作者進(jìn)行了建模研究，以確定有效支持旱地植物生長(zhǎng)的最佳方法(圖1b)。結(jié)果表明，蒸散發(fā)引起的氣溫變化率和耗水量在很大程度上取決于凈輻射能輸入。光合作用的基本過(guò)程使用非常特定的太陽(yáng)光譜范圍(主要是0.4-0.5和0.6-0.7 μm)。因此，輻射能量管理顯然是控制涼爽潮濕環(huán)境以支持干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵。輻射冷卻是一種被動(dòng)的冷卻過(guò)程，在不需要任何外部能源消耗的情況下，反射入射太陽(yáng)光(0.3~2.5 μm)，將紅外熱能(2.5~20 μm)發(fā)射到周圍環(huán)境和外太空，在過(guò)去的十年中為一系列研究提供了很大的靈感。然而，為了最大限度地提高冷卻性能，大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)反射幾乎所有入射陽(yáng)光(0.3-2.5 μm)，從而禁止植物光合作用(需要光合有效輻射)。

因此，在實(shí)現(xiàn)光合作用的同時(shí)，將增溫效應(yīng)降至最低的光合輻射冷卻材料應(yīng)允許光合作用所需的太陽(yáng)光透過(guò)(0.4-0.5和0.6-0.7 μm)，反射剩余的太陽(yáng)光(~70%，如圖1c、d所示)，并在中紅外波長(zhǎng)(2.5-20 μm)表現(xiàn)出高發(fā)射率，將熱流傳遞給周圍環(huán)境和外層空間。為了防止植物和土壤的蒸發(fā)蒸騰作用產(chǎn)生的水汽凝結(jié)產(chǎn)生遮陽(yáng)效應(yīng)(10-25%的光學(xué)損失)，也需要防霧能力，這影響了光合作用所需的透光性。

在此背景下，作者開(kāi)發(fā)了一種光合活性輻射冷卻膜(PRCF)，用于冷卻環(huán)境空氣溫度，減少水分蒸發(fā)，從而在不消耗能量的情況下增強(qiáng)炎熱干旱環(huán)境下的植物光合作用。該薄膜由三明治結(jié)構(gòu)組成，在有效發(fā)射中紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的熱能的同時(shí)，可以傳輸植物生長(zhǎng)所需的有效太陽(yáng)光成分。PRCF具有夾層結(jié)構(gòu)，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)輻射層，層在襯底上的一維(1D)光子晶體和聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠，以實(shí)現(xiàn)高選擇性光學(xué)光譜管理和防霧能力(圖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的九層結(jié)構(gòu)對(duì)一維光子晶體進(jìn)行優(yōu)化，可以選擇性地透射波長(zhǎng)為0.4~0.5 μm和0.6~0.7 μm的太陽(yáng)光，同時(shí)反射剩余的太陽(yáng)光(圖1f、g)。最后，底部的PAM水凝膠層在0.3~1.0 μm(>0.99)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的透明度，通過(guò)控制穩(wěn)定的薄膜凝結(jié)，使水蒸氣在PRCF上的凝結(jié)不會(huì)阻擋波長(zhǎng)為0.4~0.5和0.6~0.7 μm的太陽(yáng)光的透射，從而起到防霧作用(圖1h)。

圖2 冷卻與節(jié)水性能

然后，通過(guò)室外溫度操縱實(shí)驗(yàn)評(píng)估了PRCF的被動(dòng)冷卻和節(jié)水效果。采用聚氯乙烯(PVC)制成的傳統(tǒng)溫室薄膜、紫外-近紅外(UV-NIR)濾光片(冷卻植物的一種很有前途的候選材料，但尚未大規(guī)模應(yīng)用)和沒(méi)有任何覆蓋物的外殼作為對(duì)照(圖2a)。PVC薄膜在太陽(yáng)光的整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有0.87的高透明度，而UV-NIR濾光片通過(guò)反射或吸收的方式透射太陽(yáng)光的整個(gè)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍(0.38-0.78 μm)(圖2b)。PVC膜和UV-NIR濾光片的中紅外發(fā)射率均低于PRCF。

接下來(lái)，根據(jù)圖2b所示的光譜進(jìn)行輻射能量分析。結(jié)果表明，PRCF具有最低的總陽(yáng)光輸入(包括透射和吸收)。值得注意的是，如圖2c中的白線所示(測(cè)量400-500 nm和600-700 nm光的透射)，PRCF傳輸?shù)闹参锕夂献饔糜行У年?yáng)光水平與兩個(gè)對(duì)照組相似(PRCF、UV- NIR濾光片和PVC膜分別為210、176和245 W m^-2)，同時(shí)大大減少了其他波長(zhǎng)的陽(yáng)光輸入。PRCF、UV-NIR濾光片和PVC膜對(duì)應(yīng)的比值分別為1.14、2.58和2.77，驗(yàn)證了PRCF設(shè)計(jì)用于光合作用有效太陽(yáng)光波長(zhǎng)的光學(xué)選擇。

此外，PRCF具有較高的中紅外發(fā)射率，有助于增加輻射輸出(圖2d)。因此，與UV-NIR濾光片和PVC膜相比，PRCF在覆蓋材料平面上的輻射熱負(fù)荷分別減少了220和543 W m^-2(圖2e)。因此，預(yù)計(jì)PRCF將實(shí)現(xiàn)最有效的冷卻和節(jié)水效果。

三個(gè)對(duì)照組的結(jié)果與能量分析的預(yù)期一致(圖2f)。PRCF產(chǎn)生的最低氣溫為35.4℃，比UV-NIR濾光片、PVC膜和無(wú)覆蓋物情景分別低2.4℃、4.6℃和1.9℃。對(duì)不同覆蓋條件下土壤溫度的分析表明，PRCF的土壤溫度最低(圖2g)。因此，與UV-NIR過(guò)濾器、PVC膜和無(wú)覆蓋物相比，PRCF分別減緩了土壤水分蒸發(fā)2.1%、16.8%和31.9%(圖2h)。

圖3 植物栽培試驗(yàn)

在驗(yàn)證了PRCF優(yōu)異的制冷和節(jié)水性能后，評(píng)價(jià)其在室外植物栽培中的應(yīng)用是非常重要的。因此，作者設(shè)計(jì)了三個(gè)具有不同覆蓋物的米尺度室，即PRCF(圖3a)， UV-NIR濾光片和PVC膜，并將結(jié)果與露天栽培的植物作為對(duì)照進(jìn)行比較。圖3b顯示了生菜在PRCF、UV-NIR過(guò)濾器、PVC薄膜和露天環(huán)境下生長(zhǎng)的生理狀態(tài)。在高溫和蒸散作用下，露天和PVC膜和UV-NIR濾膜下生長(zhǎng)的生菜無(wú)法存活。相比之下，PRCF優(yōu)異的冷卻和節(jié)水性能可以防止生菜枯萎。鮮重試驗(yàn)(圖3c)顯示，在PRCF下獲得的生物量產(chǎn)量是其他三種條件下的兩倍以上。

同樣，由于鮮重(圖3e)、干重和最終豆莢產(chǎn)量(圖3f)的支持，大豆植株在PRCF下表現(xiàn)出相當(dāng)大的生長(zhǎng)(圖3d)。

此外，PRCF下大豆植株的光合速率(光能利用效率)達(dá)到10.9 μmol CO2 m^-2 s^-1(3.3%)，分別是UV-NIR濾光器、PVC膜和無(wú)覆蓋物下的1.5倍(2.1倍)、1.6倍(2.1倍)和1.7倍(5.8倍)(圖3g)。在較溫和的溫度和水分條件下，植物的光能利用效率和光合速率較高。上述結(jié)果表明，由于PRCF具有優(yōu)異的冷卻和節(jié)水能力，它可以在干熱條件下提高植物產(chǎn)量，包括蔬菜和食品。

圖4 應(yīng)用PRCF對(duì)全球旱地影響的計(jì)算

作者從理論上評(píng)價(jià)了典型旱地和裸地(地表面積分別為~39和~69 Mha)地溫、蒸散量和葉面積指數(shù)的變化；圖4a)。與未經(jīng)處理的基線情景相比，PRCF使旱地的平均地面溫度降低5.6°C，使裸地的平均地面溫度降低3.1°C。由于溫度降低，裸地的蒸散量減少了12%。在旱地，這種影響幾乎不明顯(0.3%)，這可以歸因于溫度下降和植被覆蓋增加導(dǎo)致的蒸騰增加之間的權(quán)衡。

PRCF增強(qiáng)旱地和裸地碳固存的潛力分別如圖4b和c所示。紅黃圖顯示，PRCF能夠增加旱地(284.65±42.33 gC m^-2 yr^-1，基線:247.92±58.55 gC m^-2 yr^-1)和裸地(25.37±12.12 gC m^-2 yr^-1，基線:87.63±38.56 gC m^-2 yr^-1)的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，從而使旱地和裸地的碳庫(kù)分別增加115%和29%。此外，作者利用PRCF計(jì)算了全球旱地和裸地的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(圖4d)?？梢怨烙?jì)，與基線相比，PRCF使全球大多數(shù)旱地和裸地植物的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力分別增加了39%和67%。

文獻(xiàn)信息

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

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/05/27/a598d2c533/

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