机器学习助力冷却膜光子设计，推动农业种植

　　

在全球气候变暖与水资源危机日益严峻的当下，如何为植物光合作用创造适宜环境成为科学界的重要研究方向。近日，来自南京大学国家固体微结构实验室等多个单位的研究人员在《Nature Communications》期刊发表了题为 “Accelerated photonic design of coolhouse film for photosynthesis via machine learning” 的论文。

这项研究提出并展示了一种无需额外能源和水，就能调节温度和水分以促进光合作用的冷室薄膜，为解决炎热缺水地区的农业种植问题提供了创新方案，同时也为光子结构和器件设计开辟了新途径。

一、研究背景

植物光合作用与人类可持续发展紧密相连，从食物生产到环境保护都离不开它。全球变暖与水资源危机加剧，使创造利于光合作用的环境变得更为关键。在寒冷和干燥地区，温室通过营造温暖湿润的环境促进植物生长；然而，在炎热和缺水地区（占地球表面一半以上），构建无需主动消耗能源和水的冷室仍是未实现的挑战。

现有冷却策略存在诸多问题。主动策略（如空调和风扇）和被动策略（如蒸发冷却和遮阳），要么能耗水耗大，要么初始及运营成本高，限制了广泛应用。新兴的辐射冷却技术虽能实现被动冷却，但需反射几乎所有入射阳光，与光合作用特定的光需求不兼容。因此，开发一种能在炎热缺水地区有效管理光、温度和水，促进植物光合作用的冷室薄膜迫在眉睫。

二、研究材料方法

（一）材料方法

薄膜制备：研究人员采用电子束蒸发法，在 1mm 厚的方形石英（15×15cm）或 0.1mm 厚的聚对苯二甲酸乙二酯（PET，1.6m×0.3m）基底上，依次沉积 130nm 厚的TiO2、130nm 厚的MgF2、17nm 厚的 Ag、188nm 厚的TiO2、57nm 厚的MgF2和 88nm 厚的TiO2，形成冷室薄膜，各层厚度在沉积过程中通过石英晶体监视器实时监测。

材料表征：运用扫描电子显微镜（SEM，MIRA3，TESCAN）获取冷室薄膜的横截面微观图像；利用配备积分球的分光光度计（UV-3600，SHIMADZU 或 LAMBDA 1050+ ，PerkinElmer）测量样品在紫外、可见和近红外波段的透射率；借助分光光度计（Cary7000，Agilent）测定角度反射率光谱。

实验测试：室内冷却测试中，用 K 型热电偶监测温度，通过高精度天平（FA 2004，精度 0.1mg）实时测量水质量变化以计算蒸发速率，采用模拟标准 AM 1.5 G 光谱的氙灯（Solar - 500，英波光学）作为光源，并用热电堆功率传感器（GCI080250，大恒光学）校准光强。室外田间测试和温室测试中，温度监测方法与室内相同，种植不同植物并测量其相关生长指标。

（二）关键技术路线

研究人员提出一种结合遗传算法和机器学习（串联神经网络）的协同框架。首先，遗传算法用于创建多层设计，对多种材料选择和序列进行预优化，这些初始设计作为神经网络训练的输入数据集；然后，神经网络对设计进行进一步优化。最终，从数百种可能设计中选出光谱误差低、角度依赖性小且制备难度低的设计，如TiO2/MgF2/TiO2/Ag/MgF2/TiO2六层薄膜，实现了冷室薄膜的光子设计。

三、研究结果

（一）冷室薄膜的制备与表征

结构与外观：制备的冷室薄膜宏观平整且集成度高，SEM 图像显示各层厚度与设计值相符。

光学性能：该薄膜具有明显的阳光过滤效果，反射黄绿色阳光，透射互补的紫色阳光，实验测量的透射光谱证实了其在 400-500nm 和 600-700nm 有尖锐透射峰，满足光合作用光学需求，其他波段阳光被反射。在 16 个月的户外连续暴露测试中，光学特征保持稳定，且在 -50° 至 50° 入射角范围内，光谱角度依赖性弱。

能量评估：基于光学光谱评估，在标准阳光光谱（1000W/m2）下，约268W/m2的阳光透过冷室薄膜，其中光合作用有效成分185W/m2，659W/m2的阳光被反射，这大幅降低了热负荷，有利于防止植物过热和过度失水。

规模化生产可行性：研究人员在柔性 PET 基底上通过大规模商业设施探索米级冷室薄膜生产，成功证明了其规模化生产的可行性。

（二）室内实验验证

阳光过滤效果评估：以 UV-NIR 滤波器和典型的聚乙烯（PE）薄膜为对照，分析不同样品对阳光光谱成分的透射情况。冷室薄膜在 400-500nm 和 600-700nm 的透射量与对照样品相似，但在其他波长的透射量远低于对照，其透射其他波长阳光与有效光合波段阳光的比值仅为 0.45，远低于 UV-NIR 滤波器的 1.28 和 PE 薄膜的 2.52，表明冷室薄膜阳光过滤效果最佳，能减少植物过热和失水风险。

被动冷却和保水能力测试：测量不同样品覆盖下的地面空气温度、土壤温度和土壤水蒸发速率。结果显示，在不同阳光强度下，冷室薄膜覆盖时温度最低，如在1kW/m2阳光照射下，空气和土壤温度降低 10-15°C；同时，冷室薄膜显著减缓了土壤水蒸发速率，其覆盖下的土壤水蒸发量远低于对照样品，证明冷室薄膜具有出色的被动冷却和保水能力。

（三）户外田间测试

南京测试结果：在南京（亚热带地区）进行户外测试，冷室薄膜覆盖下的空气温度比 UV-NIR 滤波器和 PE 薄膜分别低约 5°C 和 10°C，比对照组高约 5°C（因测试在深秋进行，预计夏季会比对照组更低）。种植的拟南芥在冷室薄膜覆盖下生长健康，而其他对照组的拟南芥因过热或失水过快死亡。冷室薄膜覆盖下的拟南芥生物量产量最高，证明其被动冷却和保水效果显著。

乌兰布和沙漠测试结果：在乌兰布和沙漠（炎热干燥地区）测试，冷室薄膜覆盖下的空气温度最低，中午与对照组、UV-NIR 滤波器和 PE 薄膜的温差分别约为 5°C、13°C 和 17°C。种植的天人菊生长趋势与拟南芥实验相似，且冷室薄膜使土壤水损失率减半，从对照组的 70% 降至 33%，近期大豆测试还表明冷室薄膜能使光合作用速率最高，进一步验证其在恶劣环境下的高效被动冷却和节水能力。

（四）温室作物生产应用

实验设置：在温室中设置四个样品室，种植生菜、辣椒和茄子等模型植物，用不同样品覆盖，评估对植物生长的影响。温室平均内部空气温度约 36°C，阳光强度约560W/m2，CO2浓度约 400ppm。

生长效果评估：在夏季，冷室薄膜在温度控制方面表现最佳。生菜实验中，冷室薄膜覆盖下的生菜生长状态最好，PSII 化学最大效率最高（0.82），干鲜生物量产量比其他对照组高出一倍以上。辣椒实验中，冷室薄膜覆盖下的辣椒能成功开花结果，PSII 化学最大效率最高，果实和生物量产量也最高，且是唯一结果的对照组。茄子实验结果与辣椒相似，表明冷室薄膜能显著增强植物光合作用，提高作物在高温干旱环境下的抗性。

四、研究结论

研究人员借助基于机器学习的混合逆向设计，提出并实验展示了一种可扩展的冷室薄膜。该薄膜能选择性透射 400-500nm 和 600-700nm 对光合作用有效的阳光，同时反射其他阳光成分，在 -50° 至 50° 之间角度依赖性弱。室内实验和野外测试表明，与其他对照相比，冷室薄膜在光、温度和水方面为光合作用提供了理想环境，显著增强了植物对高温和干旱条件的抗性，且无需额外能源和水消耗，实现了高效环保的被动冷却和节水。此外，协同机器学习方法为先进光子结构和器件设计提供了有力工具。

然而，这项研究仍有进一步探索的空间。未来需深入研究不同植物的阳光需求，开发定制冷室薄膜的便捷设计方法，这需要材料科学家、光学专家、生物学家和农业科学家的跨学科合作。冷室薄膜主要适用于炎热干燥地区，在寒冷天气可能产生负面影响，可通过开发智能温度响应材料或采用类似现代温室的自动或手动卷膜方式解决。

总体而言，这项研究为炎热缺水地区的农业种植带来了新希望，冷室薄膜有望成为提高作物产量、应对气候变化挑战的有效手段，其研究思路和成果也将推动相关领域的技术创新和发展。