設施農業作為保障糧食安全的關鍵手段，正面臨極端氣候頻發與能源消耗高漲的雙重壓力。當前智能窗技術多依賴電、光或單向熱響應機制，難以在寬溫域內自主、可逆地協同調控熱輻射與溫度。尤其缺乏一種能在低溫下增強保溫與補光效率、同時在高溫下高效反射太陽輻射的“高低溫雙向自響應”材料。如何設計兼具高透光性、寬響應窗口、強環境穩定性及農業適用性的溫敏高分子膠體系統作為智能窗基質，仍是該領域的重大挑戰之一。
圖1 針對設施農業智能窗的光-熱調節目標
近期，浙江大學生物系統工程與食品科學學院張輝教授團隊設計并構建了一種由兩種溫敏共聚物組成的液態納米膠體系統；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，實現了在同一材料體系內對加熱與冷卻刺激的雙向可逆響應（圖2）；并利用PEG誘導的cononsolvency效應調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。
這項研究以“Bidirectionally Thermochromic Nanocolloid System for on-Demand Optical Switching and Agricultural Energy Management”為題發表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2025, e19759）。文章第一作者為浙江大學生物系統工程與食品科學學院博士生蔣秦波，通訊作者為張輝教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
圖2聚合物的高低溫雙向溫敏結構響應
該納米膠體基智能窗在透明態下展現出優異的光學性能，光合有效輻射（PAR）透過率高達91.18%，可見光透過率達92.31%；在溫度過高時形成微米級聚集體降低透過率，太陽光調控能力（ΔTsol）最高達65.43%；在溫度過低時同樣提高漫反射效果，PAR漫反射率可達27.92%，顯著提升補光效率。研究進一步通過農業模擬實驗證實（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。該工作突破了傳統溫敏變色材料僅能單向響應的局限，為設施農業的光-熱協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物圖
該工作是團隊近期關于功能高分子膠體材料在智慧農業中應用的最新進展之一。傳統熱致變色材料受限于單向響應、窄溫域、低透光率或環境不穩定性，難以滿足設施農業對全氣候自適應光學調控的迫切需求。為此，團隊聚焦溫敏共聚物在混合溶劑中的相行為精準調控，發展了基于LCST/UCST雙響應機制的納米膠體設計策略，系統探索了聚合物-溶劑相互作用對光學切換性能的影響規律（Chem. Commun., 2023, 59: 8063），揭示了共致不相容效應在拓寬相變窗口與提升抗凍性中的關鍵作用。在過去三年中，團隊圍繞農業微環境智能調控，開發了系列具有高透光、強散射、寬溫響應特性的有機水凝膠基智能窗材料（Chem. Eng. J., 2024, 489: 151259）。這類納米膠體系統兼具分子可設計性與工程實用性，不僅消除了傳統無機智能窗可見光透過率低、響應溫度可調性弱等瓶頸，為農業碳中和提供了高分子材料應用新范式。以該膠體平臺為基礎，團隊正進一步拓展其在植物工廠中光譜調控的應用，推動響應型高分子從實驗室走向田間地頭。
鏈接地址：https://doi.org/10.1002/advs.202519759
- 中山大學付俊教授團隊 Adv. Mater.：低遲滯、耐高低溫的有機水凝膠人工觸覺 2024-09-12
