文獻前沿丨Nano Lett.：具有動態溫度調節功能的透明納米光子薄膜，用于提高作物產量

近年來，透明納米光子薄膜因具有動態光譜調控能力、高可見光透過率和節能環保等特性，在可持續農業溫室領域展現出巨大潛力。現有技術存在三重局限：(1)傳統覆蓋材料（如聚乙烯）雖透明但近紅外透過率高，導致熱負荷過大；(2)靜態輻射材料無法適應動態氣候，冬季固定冷卻模式反而增加能耗；(3)多數材料缺乏光散射功能，造成作物損害。針對這些問題，論文開發了一種基于TiO?/Ag/TiO?（TAT）抗反射納米結構的柔性薄膜（TATP），該薄膜通過機械拉伸可實現：1）79.2%的可見光透過率與75.3%的可調霧度，優化植株冠層光分布；2）按需切換動態紅外發射率，白天輻射冷卻（80%拉伸態）與夜間保溫（松弛態）協同維持作物最適溫度區間；3）優越的耐久性。室外試驗表明，相比商用薄膜，TATP覆蓋的溫室使馬鈴薯生物量提升106.4%，全球模擬預測平均增產300g/m2，可以有效實現溫室農業的節能增效和作物增產。相關工作以Transparent Nanophotonic Films with Dynamic Thermoregulation for Boosting Crop Yields為題發表在Nano Letters期刊。

本文從溫室面臨的能源消耗大、溫度波動劇烈的實際問題出發，研究團隊通過設計如圖1所示的三明治結構納米光子薄膜，結合抗反射原理和FDTD電磁模擬，成功制備出兼具高可見光透過率與可調長波紅外發射率（0.09-0.51）的柔性材料TATP。其核心創新在于通過機械應變實現光譜動態調控和可控霧度：白天高發射率狀態通過輻射冷卻降低溫度，在冷卻模式下，80%應變的TATP保持79.2%可見光透過率、56.3%近紅外反射率及0.51長波紅外發射率，霧度為75.3%；夜間低發射率狀態減少熱損失，在保溫模式下，TATP完全釋放（0%應變），?波紅外發射率降至0.09，霧度為1.4%。此外，TATP薄膜在0%至80%應變之間經過約3000次拉伸循環仍保持性能穩定（圖2）。在戶外實驗中，TATP薄膜使溫室晝夜空氣/土壤溫差分別降低6.67°C和7.98°C，凈能量增益比傳統PE膜減少163 W/m2，在?鈴薯種植試驗中，TATP使單株鮮重較PE膜提升106.4%，塊莖均勻性顯著提高（圖3）。全球氣候模擬表明該技術可使高原地區作物增產25%，全球生物量提升300 g/m2。理論分析還表明其在類地行星農業中具應用潛力，能將開普勒-160行星的作物產量提高140.7 g/m2（圖4）。

圖1.用于節能溫室動態熱調節的三氨基三嗪（TATP）薄膜的設計與光學特性。(a)配備動態熱管理TATP薄膜的智能溫室概念圖。白天有陽光時，TATP溫室薄膜會散射入射光、反射近紅外光，并具有高紅外發射率。在陰天和夜晚，納米光子薄膜呈現低紅外發射率。(b) TATP薄膜在松弛狀態（左）和拉伸狀態（右）的示意圖。(c) TATP薄膜在不同界面的反射特性。這種納米結構增強了光的透射。(d)展示了支撐在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上的柔性TATP薄膜的照片。1.2米厚的薄膜展現出優異的機械柔韌性，可隨意彎曲。比例尺：0.1米。(e)顯示支撐在PET支撐層上的米級TATP薄膜具有高光學透明度的照片。比例尺：0.1米。(f)納米結構的橫截面顯微鏡圖像。比例尺：25納米。(g)納米結構的能譜圖。比例尺：25納米。(h)在不同拉伸應變下測量的TATP薄膜的透射率（0.25 - 2.5μm）和發射率（8 – 13μm）光譜。(i) TATP薄膜在不同應變下的平均光學霧度和透射率。

圖2.可見光和熱學可調特性。(a) TATP薄膜在0%、40%和80%應變下的光學圖像（上）、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（中）和三維（3D）表面輪廓儀圖像（下）。兩幅示意圖（右）展示了與SEM圖像（左）對應的褶皺和裂紋結構。(b)具有納米級褶皺表面的TATP薄膜對可見光的遠場投影。(c)農田場景示意圖，聚焦在樣品上的激光代表入射陽光。(d)掩模投影展示了霧度對作物生長光分布的影響。(e)微裂紋表面在10.5 μm波長處的電場分布。白線代表厚度為80 nm的納米光子薄膜。(f)表觀溫度測量的實驗裝置。(g) TATP薄膜在不同應變下的熱成像圖。室溫為20 °C。(h)在3000次機械循環（0 - 80%應變）下的表觀溫度穩定性。

圖3.節能動態熱調節及其對作物生物量協同效益的實地驗證。(a, b)實驗裝置展示了覆蓋有TATP膜、PC板、PE膜的植物以及未覆蓋的對照組。(c)說明熱調節裝置工作原理的示意圖。(d)假設太陽輻照度為1 kW/m2時，計算得到的到達覆蓋有TATP膜、PC板和PE膜的植物的入射太陽能功率。白色水平線表示用于植物光合作用的太陽能波段（400 - 500和600 - 700 nm）。(e)計算得到的三種植物在白天的能量流功率，包括太陽光輸入和長波紅外輻射輸出。TATP膜的應變率為80%。假設環境溫度為40 °C。三種裝置的溫度與環境溫度相同。(f)僅考慮長波紅外輻射輸出時，三種植物在夜間的能量流功率。TATP膜的應變率為0%。假設環境溫度為10 °C。三種裝置的溫度與環境溫度相同。(g, h) 24小時內，記錄的TATP膜下和三個對照組下的空氣(g)和土壤溫度波動(h)的比較。土壤溫度變化是在相同條件下2厘米深度處記錄的。(i)生長50天后的代表性植物。比例尺：10厘米。(j)收獲的馬鈴薯作物（詳情見圖S29）。比例尺：5厘米。(k)單株鮮重。(k)中的數據表示為平均值±標準差（n = 5）；誤差線表示測量差異。

圖4.地球及類地行星在溫室溫度控制和增產方面的潛力。(a, b)預測TATP薄膜在（a）美國（新墨西哥州和得克薩斯州）以及（b）中國（西藏和海南）的陰天和晴天條件下對溫室冠層溫度調節的影響。數據表示典型天氣條件下的最高和最低溫度。(c)預測在美國（左上）、中國（右上）和全球（下）種植場景下120天的增產情況（TATP薄膜減去商用薄膜）。模型結果凸顯了TATP薄膜在廣泛提高農業生產力、節約能源和增強氣候適應能力方面的潛力。

小結：綜上所述，為解決溫室農業中傳統覆蓋材料能源消耗高且溫度調控能力有限的關鍵問題，本研究開發了一種光譜動態調控且霧度可控的納米光子薄膜TATP，實現對作物生長環境的動態自適應調節。該薄膜采用TiO?/Ag/TiO?多層納米設計與PDMS基底復合，通過機械應變調控紅外發射率與光散射能力，在白天高輻照條件下，薄膜通過增強紅外發射實現輻射降溫；夜間則切換至低發射狀態抑制熱量散失，從而有效穩定溫室晝夜溫差。結合其優異的光散射性能，該薄膜進一步優化了冠層光分布，促進光合效率。實地種植結果顯示，TATP顯著提升馬鈴薯產量。這一設計有效促了進動態熱管理薄膜的發展，為低碳、高產的現代農業提供了具備實際推廣潛力的技術路徑。

論文信息：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.

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