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  設(shè)施農(nóng)業(yè)作為保障糧食安全的關(guān)鍵手段，正面臨極端氣候頻發(fā)與能源消耗高漲的雙重壓力。當(dāng)前智能窗技術(shù)多依賴電、光或單向熱響應(yīng)機(jī)制，難以在寬溫域內(nèi)自主、可逆地協(xié)同調(diào)控?zé)彷椛渑c溫度。尤其缺乏一種能在低溫下增強(qiáng)保溫與補(bǔ)光效率、同時(shí)在高溫下高效反射太陽輻射的“高低溫雙向自響應(yīng)”材料。如何設(shè)計(jì)兼具高透光性、寬響應(yīng)窗口、強(qiáng)環(huán)境穩(wěn)定性及農(nóng)業(yè)適用性的溫敏高分子膠體系統(tǒng)作為智能窗基質(zhì)，仍是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

圖1 針對設(shè)施農(nóng)業(yè)智能窗的光-熱調(diào)節(jié)目標(biāo)

  近期，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院張輝教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種由兩種溫敏共聚物組成的液態(tài)納米膠體系統(tǒng)；通過將具有低臨界溶解溫度（LCST）的p(NIPAM-co-DMAA)與具有高臨界溶解溫度（UCST）的p(AC-co-AM)共分散于PEG/水二元溶劑中，實(shí)現(xiàn)了在同一材料體系內(nèi)對加熱與冷卻刺激的雙向可逆響應(yīng)（圖2）；并利用PEG誘導(dǎo)的cononsolvency效應(yīng)調(diào)控兩組分的相變溫度，使溫敏變色范圍覆蓋?9°C至85°C的寬溫域。

  這項(xiàng)研究以“Bidirectionally Thermochromic Nanocolloid System for on-Demand Optical Switching and Agricultural Energy Management”為題發(fā)表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2025, e19759）。文章第一作者為浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院博士生蔣秦波，通訊作者為張輝教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖2聚合物的高低溫雙向溫敏結(jié)構(gòu)響應(yīng)

  該納米膠體基智能窗在透明態(tài)下展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能，光合有效輻射（PAR）透過率高達(dá)91.18%，可見光透過率達(dá)92.31%；在溫度過高時(shí)形成微米級(jí)聚集體降低透過率，太陽光調(diào)控能力（ΔTsol）最高達(dá)65.43%；在溫度過低時(shí)同樣提高漫反射效果，PAR漫反射率可達(dá)27.92%，顯著提升補(bǔ)光效率。研究進(jìn)一步通過農(nóng)業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)（圖3），該智能窗可使番茄幼苗在熱脅迫下的光合速率提升222.19%，綠蘿在冷脅迫下的光合速率提高126.07%，同時(shí)分別降低制冷與供暖能耗11.61 kJ·m?3和2.96 kJ·m?3。該工作突破了傳統(tǒng)溫敏變色材料僅能單向響應(yīng)的局限，為設(shè)施農(nóng)業(yè)的光-熱協(xié)同管理提供了無需外部能源的智能解決方案。

圖3膠體基智能窗全季促長示意圖及種植番茄幼苗實(shí)物圖

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于功能高分子膠體材料在智慧農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。傳統(tǒng)熱致變色材料受限于單向響應(yīng)、窄溫域、低透光率或環(huán)境不穩(wěn)定性，難以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對全氣候自適應(yīng)光學(xué)調(diào)控的迫切需求。為此，團(tuán)隊(duì)聚焦溫敏共聚物在混合溶劑中的相行為精準(zhǔn)調(diào)控，發(fā)展了基于LCST/UCST雙響應(yīng)機(jī)制的納米膠體設(shè)計(jì)策略，系統(tǒng)探索了聚合物-溶劑相互作用對光學(xué)切換性能的影響規(guī)律（Chem. Commun., 2023, 59: 8063），揭示了共致不相容效應(yīng)在拓寬相變窗口與提升抗凍性中的關(guān)鍵作用。在過去三年中，團(tuán)隊(duì)圍繞農(nóng)業(yè)微環(huán)境智能調(diào)控，開發(fā)了系列具有高透光、強(qiáng)散射、寬溫響應(yīng)特性的有機(jī)水凝膠基智能窗材料（Chem. Eng. J., 2024, 489: 151259）。這類納米膠體系統(tǒng)兼具分子可設(shè)計(jì)性與工程實(shí)用性，不僅消除了傳統(tǒng)無機(jī)智能窗可見光透過率低、響應(yīng)溫度可調(diào)性弱等瓶頸，為農(nóng)業(yè)碳中和提供了高分子材料應(yīng)用新范式。以該膠體平臺(tái)為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步拓展其在植物工廠中光譜調(diào)控的應(yīng)用，推動(dòng)響應(yīng)型高分子從實(shí)驗(yàn)室走向田間地頭。

  鏈接地址：https://doi.org/10.1002/advs.202519759