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  在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，植物照明和溫度傳感起著至關(guān)重要的作用。在人造光植物工廠(PFAL)中，LED由于具有出色的發(fā)光效率、可持續(xù)的發(fā)光時(shí)間、可調(diào)的光學(xué)特性以及與植物吸收的光譜匹配通常被用作植物光源，使植物能夠?qū)崿F(xiàn)充足和穩(wěn)定的光合作用。然而，通常用于LED封裝的環(huán)氧樹(shù)脂作為一種石油基材料通常具有熱穩(wěn)定性差、抗老化性能弱、抗脆性低和不可降解等問(wèn)題。與此同時(shí)，植物光合作用系統(tǒng)極易受到低溫等非生物脅迫的影響，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。開(kāi)發(fā)高靈敏度的溫度傳感器以促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)目前仍然是研究重點(diǎn)。因此，考慮到智慧農(nóng)業(yè)植物照明和溫度傳感研究的現(xiàn)狀，從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)和制造具有可調(diào)諧發(fā)光特性、柔韌性、生物降解性、可回收性以及適合大規(guī)模生產(chǎn)等集合特性的創(chuàng)新、一體化多功能發(fā)光薄膜提出了重大挑戰(zhàn)。

  近期，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）米瑞宇副教授、劉艷改教授聯(lián)合武漢大學(xué)陳朝吉教授團(tuán)隊(duì)采用細(xì)胞壁工程，通過(guò)自上而下的策略成功構(gòu)建了用于植物生長(zhǎng)照明和光學(xué)測(cè)溫的集成化可回收透明發(fā)光木質(zhì)薄膜(LTWF)。具體來(lái)說(shuō)，利用高分子聚合物，纖維素以及熒光材料有機(jī)無(wú)機(jī)協(xié)同形成的氫鍵和自鍵制備了可回收發(fā)光透明木膜。其在紫外線激發(fā)下表現(xiàn)出藍(lán)光和紅光雙波段的熒光發(fā)射并與植物生長(zhǎng)所需的植物色素匹配良好。同時(shí)，該發(fā)光薄膜的雙波段發(fā)射具有截然不同的熱響應(yīng)光譜信號(hào)，可以提高光學(xué)溫度傳感的靈敏度。在此研究中，聚合物PVA由于具有與纖維素匹配良好的折射率、環(huán)保性、生物降解性等優(yōu)點(diǎn)被選為滲透聚合物。基于此，LTWF表現(xiàn)出優(yōu)異的生物降解性，木質(zhì)纖維素和PVA可以被土壤中的水和微生物自然降解成為PFAL的肥料來(lái)源，展現(xiàn)出一個(gè)有吸引力的生態(tài)閉環(huán)。此外，通過(guò)將報(bào)廢的LTWF溶解在水溶液中進(jìn)行超聲得以回收脫木素木材框架和均勻的PVA/熒光粉溶液以供再循環(huán)利用，從而為循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了一條新的道路。該研究工作有望助力可持續(xù)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展以及相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步提供新的策略與解決方案。相關(guān)研究成果以“Toward Recyclable, Luminescent Transparent Wood Film via Synergistic Light Responses of Lignocellulose and Phosphors for Plant Growth Lighting and Optical Thermometer”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）22級(jí)碩士生陳歡、武漢大學(xué)博士陳俊青為論文共同第一作者，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）米瑞宇副教授、劉艷改教授和武漢大學(xué)陳朝吉教授為論文共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目的支持。

圖1基于木質(zhì)纖維素和熒光粉的協(xié)同光響應(yīng)的LTWF的制造、降解和回收以及它們?cè)谥参镎彰骱凸鈱W(xué)熱傳感器中應(yīng)用的示意圖。

圖2 LTWF的結(jié)構(gòu)和化學(xué)表征

圖3 LTWF的光學(xué)特性及其在植物照明中的應(yīng)用

  在這項(xiàng)工作中，基于木質(zhì)纖維素藍(lán)光發(fā)射和熒光粉紅光的協(xié)同光響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)具有雙發(fā)射帶的暖白光發(fā)射。具體來(lái)說(shuō)，半峰寬FWHM = 120 nm的寬藍(lán)色發(fā)射源于木質(zhì)纖維素中存在剛性構(gòu)象，而紅色發(fā)射歸因于Eu²⁺的4f-5d躍遷。同時(shí)，LTWF的雙波段發(fā)射可以與植物葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素和光敏色素Pr的吸收帶完美重疊，這表明其在植物生長(zhǎng)照明應(yīng)用的潛力很大。因此，所得LTWF的封裝LED具有良好的性能，包括Ra = 86.4和CCT = 4968 K。

圖4 LTWF的光學(xué)溫度傳感性能

  進(jìn)一步，研究了LTWF的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)雙波段發(fā)射之間存在不同的熱響應(yīng)。因此，通過(guò)熒光強(qiáng)度比技術(shù)(FIR)評(píng)估了其在植物的非侵入式熱傳感應(yīng)用的可能性。S_a的和S_r在423 K時(shí)分別達(dá)到0.642%/K和0.447%/K，具有較高的靈敏度，展示出較高的應(yīng)用潛力。

圖5 LTWF的回收過(guò)程和可循環(huán)性

  將使用后的LTWF在水溶液中回收，在超聲輔助下木材管腔結(jié)構(gòu)中 PVA、熒光粉和纖維素之間的氫鍵被搶先解離。隨后，脫木質(zhì)素框架結(jié)構(gòu)和PVA分子鏈之間相互作用的減少導(dǎo)致PVA鏈的滑動(dòng)。PVA在水分子和PVA分子鏈之間形成氫鍵后完全溶解。表現(xiàn)出該薄膜優(yōu)異的回收特性。進(jìn)一步，將回收框架按照相同的過(guò)程再次制造，其表現(xiàn)出藍(lán)色和紅色發(fā)射帶的完美可還原性。此外，LTWF可以在自然環(huán)境土壤中生物降解，并通過(guò)為PFAL中的植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分來(lái)參與碳循環(huán)。

  總結(jié)：本研究通過(guò)木質(zhì)纖維素和功能熒光粉的協(xié)同光響應(yīng)，采用自上而下的策略創(chuàng)新性的構(gòu)建了可回收的集成化發(fā)光木質(zhì)薄膜，其具有藍(lán)光-暖白光-紅光的光學(xué)可調(diào)性并與植物生長(zhǎng)所需的光敏色素光譜完美重疊，因此能夠作為植物生長(zhǎng)照明的綠色光源；同時(shí)，該薄膜雙波段發(fā)射波長(zhǎng)存在不同的熱響應(yīng)現(xiàn)象，基于FIR策略其具有在植物的非侵入式熱傳感中的應(yīng)用潛力。這一工作為可持續(xù)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展以及相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步提供新的策略與解決方案。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423874