基于生物量的透明竹质复合薄膜，结合铕基光转换技术，用于实现高效节能的智能农业

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：Biomass-Derived Transparent Bamboo Composite Films with Europium-Based Photoconversion for Energy-Efficient Smart Agriculture

高效光转换竹基复合材料PTB的制备及其农业应用研究。通过竹材脱 lignin 处理与环氧树脂复合，成功制备透明光转换薄膜PTB，实现86.3%可见光透率与紫外光到红光的转换效率达28.6%-118.2%。PTB纵向拉伸强度达100.5MPa，显著优于传统PE薄膜。植物生长实验表明PTB覆盖使Arabidopsis thaliana叶数增加28.6%，鲜重提升108.6%，干重增长118.2%。该材料兼具生物基、高透明、优异机械性能和光调控功能，为农业薄膜提供可持续解决方案。

　　近年来，随着全球对可持续农业和低碳发展的重视，如何有效利用太阳能、减少农业对化石资源的依赖成为科研领域的热点。本文介绍了一种基于生物质的创新材料设计策略，通过将天然、可再生的透明竹（Transparent Bamboo, TB）与 europium 基的发光复合物 Eu(hfa)?(TPPO)? 结合，成功研制出一种兼具光转换功能和增强机械性能的柔性光活性透明竹（Photoactive Transparent Bamboo, PTB）。该材料不仅具有高透明度，还能够将对植物有害的紫外线（UV）有效转化为植物可以高效吸收的红光（Red Light），从而提升光合作用效率，推动绿色农业的发展。

农业薄膜在现代农业中扮演着重要角色，其主要功能包括提升土壤温度、保持土壤湿度、抑制杂草生长以及减少病虫害的发生。然而，传统的农业薄膜多采用石油基材料，如聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC），这些材料不仅不可再生，而且在使用后难以降解，容易造成土壤微塑料污染，严重威胁生态环境。此外，现有光转换农业薄膜，如有机荧光染料基薄膜、量子点复合薄膜以及稀土复合物掺杂薄膜，虽然在光谱调控方面表现出一定优势，但普遍存在光降解、环境毒性以及材料迁移等问题，限制了其在实际农业中的应用。

为了克服这些局限，研究者们开始探索以生物质材料为基础的可降解农业薄膜。例如，聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）以及天然淀粉等生物基材料被广泛研究，作为石油基材料的替代品。然而，这些材料在机械性能、耐候性以及成本方面仍存在不足。PLA 虽然具备良好的生物降解性和机械强度，但其脆性问题需要通过添加增塑剂或其他改性手段来改善；PHA 具有优异的降解性，但其生产成本较高，且热稳定性较差；而天然淀粉薄膜虽然成本低廉、降解迅速，但其机械性能和水阻性能相对较弱，难以满足实际应用需求。

与此同时，研究人员也尝试将天然纤维素与各种功能材料结合，以开发具有透光性和柔韧性的生物基薄膜。例如，通过提取植物纤维素，制造出透明且可降解的薄膜材料。然而，这类材料的生产成本较高，且在实际应用中存在一定的水敏感性，限制了其推广。此外，一些研究使用壳聚糖等生物聚合物来制造具有抗菌性能的农业薄膜，但其复杂的生产工艺和较低的机械强度也限制了其应用范围。

鉴于此，本研究提出了一种基于生物质的材料设计新思路，将天然竹材与 europium 基发光复合物结合，制备出 PTB 材料。竹子作为一种天然的木质纤维素材料，具有独特的物理和化学特性。其生长周期较短，通常在 3–5 年即可达到成熟状态，相较于传统木材，竹子的可持续性更强。此外，竹子的纵向拉伸强度可达 300?MPa，远高于一般软木和硬木，且其纤维结构具有良好的可加工性，能够通过树脂渗透和冷压处理形成高强度的复合材料。

本研究中，通过去除竹子中的木质素，获得了一种具有多孔结构的竹材（Delignified Bamboo, DB），随后将其浸渍于含有 europium 基发光复合物的乙醇溶液中，确保复合物均匀分布在竹材内部。接下来，将 DB 浸渍于环氧树脂中并进行冷压固化，最终得到 PTB。该材料在保持高透明度的同时，具备高效的 UV 到红光的光谱转换能力。实验数据显示，PTB 在 0.4?mm 厚度下实现了 86.3% 的可见光透光率，并表现出显著的 UV-Red 光转换效率。这一特性使得 PTB 可以将原本对植物有害的紫外线转化为对植物有益的红光，从而促进光合作用的进行。

此外，PTB 在热稳定性方面也表现出色。通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）的检测，研究人员发现 PTB 在测试温度范围内（?10?°C 至 150?°C）没有出现明显的吸热或放热峰，且其热分解起始温度超过了 100?°C，远高于传统农业薄膜的使用条件。这意味着 PTB 在高温环境下的性能更为稳定，能够满足农业薄膜在户外长期使用的需求。同时，环氧树脂的封装作用有效延缓了材料的热老化过程，进一步增强了其在农业环境中的耐用性。

在机械性能方面，PTB 的纵向拉伸强度达到了 100.5?MPa，显著高于传统石油基农业薄膜（通常低于 30?MPa），并具备良好的柔韧性。这一特性使得 PTB 可以适应各种农业环境，例如温室覆盖、防风设施等，同时还能在反复弯曲后恢复原状，表现出优异的弹性性能。这种机械性能的提升来源于竹纤维与环氧树脂之间的协同作用，其中竹纤维提供了必要的抗拉强度，而环氧树脂则赋予材料良好的柔韧性和结构稳定性。

在农业应用方面，研究人员通过实验验证了 PTB 对植物生长的促进作用。以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为实验对象，结果表明，PTB 覆盖的植物相较于对照组和 TB 覆盖组，在叶数、鲜重和干重方面均有显著提升。具体而言，PTB 覆盖的植物在 15 天时，平均叶数增加了 28.6%，鲜重提升了 108.6%，干重则增加了 118.2%。这些数据充分证明了 PTB 在农业应用中的有效性，同时也表明其光谱调控能力对植物生长的积极作用。

值得注意的是，PTB 的光转换功能并非单纯依赖于遮光效果，而是通过光谱调控，将原本不被植物有效利用的紫外线转化为红光，从而优化植物的光环境。这一机制使得 PTB 在提升光合作用效率的同时，不会对植物造成额外的遮挡，从而避免了传统遮光材料可能带来的负面影响。此外，PTB 在光照条件下仍能保持良好的透明度，使得植物能够正常接收自然光，从而进一步保障其生长所需的光能。

本研究的创新之处在于，它不仅解决了传统农业薄膜在环境可持续性方面的缺陷，还通过材料设计实现了光谱调控与机械性能的双重提升。PTB 的制备过程融合了材料科学与农业技术，展示了生物质材料在功能化应用中的巨大潜力。与传统石油基薄膜相比，PTB 具有更低的环境影响，且其性能表现更加优异，能够满足现代农业对高透光率、高机械强度和良好热稳定性的需求。

从应用前景来看，PTB 可以广泛应用于智能温室、精准农业等场景。在这些环境中，光谱调控与结构稳定性是实现高效农业的关键因素。通过 PTB 的使用，不仅可以提高作物的光合作用效率，还能降低农业对不可再生资源的依赖，推动绿色农业的发展。此外，PTB 的生物基特性使其在使用后更容易降解，减少了对环境的长期影响，符合当前全球对可持续发展的追求。

在材料科学领域，PTB 的制备方法为其他功能化生物材料提供了新的思路。通过将天然材料与功能性化合物结合，不仅能够提升材料的性能，还能拓展其应用范围。这种设计策略为开发更多具有环境友好性和功能性增强的材料提供了理论支持和实践指导。同时，PTB 的成功应用也表明，生物质材料在光转换、热稳定性和机械性能等方面具备巨大的发展潜力。

未来的研究方向可能包括 PTB 的规模化生产、材料性能的进一步优化以及其在更多农业场景中的应用探索。通过改进生产工艺，提高材料的均匀性和稳定性，可以进一步提升 PTB 的实际应用价值。此外，针对不同作物的生长需求，研究者还可以对 PTB 的光谱调控性能进行定制化设计，以实现更高效的农业增产。随着对可持续农业需求的不断增长，PTB 有望成为未来农业薄膜领域的重要创新之一，为实现低碳农业、智能农业提供强有力的技术支撑。

总的来说，本研究通过将生物质材料与光转换功能相结合，成功开发出一种具有高透明度、优异机械性能和良好热稳定性的新型农业薄膜材料。该材料不仅能够有效提升植物的光合作用效率，还具有显著的环境友好性，为农业可持续发展提供了新的解决方案。未来，随着相关技术的不断完善，PTB 可能将在现代农业中发挥更加重要的作用，成为推动绿色农业和智慧农业发展的重要工具。