文獻前沿丨ACS Energy Letters：通過水觸發的多級自組裝的仿生、堅固、可回收的輻射冷卻器應用于可持續農業

被動輻射冷卻是一種新興的熱管理策略，但傳統的石油衍生冷卻器受到有限的冷卻性能和較差的機械魯棒性的影響，而無機替代品雖然有效，但需要復雜和能源密集型的制造。受到蜘蛛絲快速形成和特殊強度的啟發，我們開發了一種簡單的水觸發多級自組裝策略，以制造堅固，可回收，環保的生物輻射冷卻器（生物冷卻器）。生物冷卻器具有高太陽反射率（0.94）和發射度（0.91），在陽光直射下平均降溫8°C。此外，它具有76 MPa的抗拉強度，超過大多數傳統的輻射冷卻器，并通過水觸發重組實現超過90%的材料回收。作為土壤覆蓋物，生物冷卻器可將土壤溫度降低7.2 °C，保水性提高61%，有效緩解作物熱脅迫。生物冷卻器具有可擴展的生產能力和耐用性，為可持續農業應用提供了重要的前景。相關工作以Biomimetic, Robust, Recyclable Radiative Cooler via WaterTriggered Multistage Self-Assembly Toward Sustainable Agriculture為題發表在ACS Energy Letters期刊。

本文受蜘蛛絲快速成型與高強度特性的啟發（圖1a-1b），設計了一種水觸發多級自組裝策略，制備了仿生輻射冷卻材料Biocooler（圖1c-1d）。該材料具有0.94的太陽反射率和0.91的紅外發射率，冷卻功率達95 W/m2，平均降溫8.0°C（圖3）。通過SEM、XPS、Raman及Micro-CT等表征驗證了其致密均勻結構（圖2），力學測試顯示拉伸強度達76 MPa，優于多數傳統冷卻材料（圖4）。規模化制備（圖1f）及水觸發再組裝實現>90%回收率（圖5）。作為土壤地膜，Biocooler可使土壤降溫7.2°C、提高保水性61%，有效緩解作物熱脅迫（圖6），為可持續農業提供了高效熱管理方案。

圖1.通過水觸發多級自組裝策略制造的堅固、可回收和可持續的輻射冷卻器。（a，B）通過多級蛋白質自組裝機制的天然蜘蛛絲形成過程的示意圖。（c，d）通過水觸發多級自組裝的生物冷卻器的制備過程，導致高拉伸強度和上級輻射冷卻性能。（e）生物冷卻器和常規輻射冷卻材料，包括有機聚合物，無機系統和生物基冷卻材料。（例如，UHMWPE/TiO 2、MAMS;見表S1）。（f）生物冷卻器（50 cm×450 cm）的照片，通過折疊和滾動展示了機械靈活性和對復雜形狀的適應性。

圖2.生物冷卻器的形態和結構表征。（a）生物冷卻器的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和能量分散光譜分析。（B）生物冷卻器的X射線光電子能譜（XPS）測量光譜。（c）生物冷卻器的2D WAXS。（d）生物冷卻器在1380 cm?1（h-BN）處的拉曼映射圖像，480 cm-1（Al 2 O3）和4400 cm-1（纖維素）。亮紅色假彩色對應于較高的強度。（e）生物冷卻器的顯微CT圖像。（f）生物冷卻器和其他輻射冷卻材料（例如，CCTM、PRCM;見表S2）之間每單位面積1 m2的制備時間的比較。

圖3.生物冷卻器的光學特性和輻射冷卻性能。（a）純纖維素薄膜和生物冷卻器的太陽反射光譜。（B）兩種材料在大氣窗口（8 - 13μm）的紅外發射率。（c）生物冷卻器內的孔徑分布，顯示主要范圍為0.3 - 1.2μm。（d）生物冷卻器的理論總冷卻功率，（e）24小時連續溫度監測的實驗裝置照片;（g）試驗期間的氣象條件，如風速、太陽輻射和相對濕度;周圍環境、纖維素膜和生物冷卻器在24小時內的溫度曲線以及相對于環境的相應溫差。

圖4.生物冷卻器的力學性能和強化機制。（a）纖維素膜、再生纖維素（RC）膜和生物冷卻器的應力-應變曲線。（B）三種材料的拉伸強度比較。（c）拉伸試驗得出的斷裂能。（d）纖維素膜、RC膜、（e）MD模擬的模擬應力-應變響應。（f）拉伸測試后纖維素鏈的回轉半徑。（g）仿生冷卻器與傳統輻射冷卻材料（例如，CAG、PLA-CE;見表S1）之間的拉伸強度比較。

圖5.生物冷卻器的可回收性、環境影響和自清潔性能。（a）生物冷卻器的制造和再生過程。（B）再生生物冷卻器的光學特性。（c）生物冷卻器、塑料基和陶瓷基輻射冷卻器之間的材料成本經濟比較。（d）生物冷卻器、傳統輻射冷卻塑料、和陶瓷。（e）生物冷卻器和纖維素薄膜的水接觸角。（f）生物冷卻器對水污染物的自清潔行為。

圖6.覆蓋條件對作物生長性能的影響。（a）三種覆蓋處理下幼苗的代表性圖像：1）生物冷卻器，2）裸露土壤，3）和聚乙烯（PE）覆蓋物。（B，c）裸露土壤、PE覆蓋物的24小時溫度分布和低于環境溫度的溫差，和生物冷卻器。（d）生長期前后萵苣植株的鮮重變化。（e）30天覆蓋試驗期間各處理的生物積累率。（f）不同覆蓋條件下的根長。（g）（h）模擬各城市溫室模型的年度冷卻能耗。（i）區域全年節能。

小結：受蜘蛛絲快速形成過程的啟發，論文通過水觸發多級纖維素自組裝策略開發了一種堅固，環保，可回收的輻射冷卻器。所得生物冷卻器的太陽反射率為0.94，紅外發射率為0.91，提供高達95 W的冷卻功率實地測試表明，與周圍環境相比，平均溫度下降8.0°C，最大溫度下降11.8°C。由于纖維素鏈和納米顆粒之間的多氫鍵網絡，生物冷卻器的拉伸強度達到76 MPa，超過了大多數傳統的輻射冷卻器。此外，溫和的水觸發重組過程使材料回收率超過90%。當作為土壤覆蓋物部署時，生物冷卻器不僅平均降低土壤溫度7.2°C，而且還提高了61%的保水能力，該生物冷卻器具有靈活性、可持續性和可擴展的制造工藝等附加屬性，為智能農業中的碳中和熱管理提供了變革性途徑。

論文信息：Li, Z., Lin, X., Yu, T., Guo, Y., He, S., Chen, C., & Wu, Y. (2026). Biomimetic, Robust, Recyclable Radiative Cooler via Water-Triggered Multistage Self-Assembly Toward Sustainable Agriculture. ACS Energy Letters.

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