朱嘉，南京大学教授、博士生导师。2010年获美国斯坦福大学工学博士学位，师从大牛崔屹。随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室做博后，期间获得“中国政府优秀留学生奖”、“国际材料学会优秀研究生金奖”和“美国化学学会无机化学青年科学家” 等称号。2013年9月回到南京大学组建纳米能源研究小组，2016年入选美国《麻省理工学院技术评论》第十六届全球35岁以下创新者榜单；2019年获得国家杰出青年科学基金资助。
朱嘉教授团队主要从事面向基于光热调控的新能源领域的纳米材料与器件的研究，聚焦与纳米尺度的电学、光学、热学基本原理的探究及新型能原材料的研发。团队目前研究的主要方向为：锂钠光学、辐射制冷、热电、光热转换等
迄今为止，在Nature、Nature系列、Science系列、Joule、PNAS、Nano Letters、Advanced Materials 等国际高影响力学术期刊发表论文160余篇，他引超过29000余次，授权专利10项, 受邀在政府，国际会议及世界著名学府做过70多场大会、特邀专题报告。英国皇家化学学会会士，杂志Nanophotonics的责任编辑，同时是40多个国际学术期刊的特约审稿人。
辐射冷却膜，帮助植物增产！
气候变化是一个全球性问题，需清除大气中的温室气体来控制地球温度。植树造林被认为是最有效的碳吸收方法之一，但旱地占地球陆地面积的40%，植被覆盖率低，对碳汇贡献小。增加旱地植被覆盖率和生长量是提升碳汇能力的重要机会，但面临环境限制和水分损失等挑战。此外，即使植物在干旱环境中成功生长，也可能会降低反照率，导致当地变暖效应，抵消光合作用产生的固碳效应。因此，制定节能节水的植树造林策略至关重要，以实现旱地的可持续植物栽培和碳固存
在这里，南京大学朱嘉教授、张永光教授和朱斌副教授共同介绍一种光合作用辐射冷却薄膜，它能降低环境空气温度，最大程度地减少水分蒸发，并提高旱地植物的光合作用。这种薄膜由夹在聚二甲基硅氧烷层和防雾聚丙烯酰胺水凝胶层之间的光子晶体层组成。聚二甲基硅氧烷层具有高中红外发射率，可实现最大程度的辐射冷却；光子晶体可选择性地透过具有光合作用的太阳光，从而促进光合作用；聚丙烯酰胺层可防止遮光效应，从而支持植物生长。田间试验表明，此薄膜可使气温降低 1.9-4.6 °C，水分蒸发量减少 2.1-31.9%，从而使植物的生物量产量增加 20-370%。根据作者的评估，与没有薄膜的情况相比，在全球范围内将薄膜应用于旱地植物可增加约 40% 的碳汇。这项工作凸显了下一代技术的发展，这些技术可以解决气候变化中水-食物-能源之间的关系。相关成果以“A photosynthetically active radiative cooling film”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为Jinlei Li,Yi Jiang和Jia Liu为共同一作。
PRCF的设计
PRCF 采用三明治结构，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）辐射层、一维（1D）光子晶体和聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶组成，实现了高选择性宽带光学管理和防雾能力（图 1e）。顶部的 PDMS 层在中红外波段具有高宽带发射性，并在 0.3-2.5 μm 波段内高度透明。底层的九层光子晶体结构选择性透过特定波长的太阳光，并反射其余光线（图 1f、g）。底部的 PAM 水凝胶层在 0.3-1.0 μm 波段内透明度高于 0.99，提供防雾效果，确保光传输不受阻（图 1h）。这种结构使 PRCF 具有理想的多波段光学选择性，并通过电子束蒸发、凝胶化和薄膜转移制备出了一米级的柔性材料（图 1i）。
图 1：PRCF 的设计和表征
辐射冷却和节水
通过室外温度控制实验，评估了 PRCF 的被动冷却和节水效果。将 PRCF 与传统 PVC 温室薄膜、紫外线-近红外 (UV-NIR) 滤光片和无覆盖物的箱子对比（图 2a）。结果表明，PRCF 的总太阳光输入最低，同时对植物光合作用有效的阳光传输水平与对照相似（图 2c）。PRCF 具有高中红外发射率，有助于增加辐射输出，减少覆盖材料平面的辐射热负荷（图 2d、e）。实验显示 PRCF 的空气温度最低，比其他对照低2.4-4.6°C（图 2f）。土壤温度分析也显示 PRCF 具有最佳冷却性能，并显著减缓了土壤水分蒸发（图 2g、h）。这些结果证明 PRCF 在旱地植物种植中具有出色的被动冷却和节水效果。
图2：冷却、节水性能。
户外种植实验
验证了 PRCF 的冷却和节水能力后，作者又评估其在室外植物栽培中的应用。作者设计了三种不同覆盖物的腔室：PRCF、UV-NIR 滤光片和 PVC 薄膜，并与露天植物进行对比（图 3a）。阳光强度和温度测试显示，PRCF 提供了最佳的被动冷却效果。选择生菜、大豆和栀子花进行多维评估，结果显示在 PRCF 下植物生长显著优于其他条件。生菜在露天和其他薄膜下无法生存，而在 PRCF 下可防止枯萎，生物量产量是其他条件的两倍。大豆在 PRCF 下也表现出显著生长，鲜重、干重和豆荚产量均明显增加，光合作用率达10.9 μmol CO 2 m −2 s −1，比其他条件高1.5-5.8倍。栀子花实验表明，只有在 PRCF 下生长的植株能存活且叶绿素含量高，表现出强光合作用能力。
图3：植物栽培实验
大规模应用建模
PRCF具有出色的被动冷却和节水能力，有望显著提高干旱地区植物的存活率和生长条件，从而增强这些地区的碳汇。作者使用集成到社区土地模型5.0中的动态全球植被模型，模拟了PRCF在大范围应用的影响。结果显示，PRCF使旱地和裸地的地温分别降低了5.6°C和3.1°C，减少了蒸散量，并增加了叶面积指数，显著提高了植物的生长状况。PRCF使旱地和裸地的碳汇能力分别提高了115%和29%，在全球范围内，旱地和裸地植物的净生态系统生产力分别提高了39%和67%。这些结果表明，PRCF具有巨大的碳汇潜力，有助于减缓全球干旱地区的变暖速度。
图4：计算应用 PRCF 对全球旱地的影响
小结
作者提出了一种基于PRCF的节能节水策略，以可持续促进植物生长，最大限度地减少局部变暖影响，并提高干旱地区的气候效益。PRCF的夹层结构实现了辐射冷却、光合作用的选择性光学管理和防雾能力。现场试验表明，与传统覆盖材料相比，PRCF显著降低了气温（1.9-4.6°C）和水分蒸发（2.1-31.9%），提高了植物成活率和生物量产量（20-370%）。模型显示，全球旱地应用PRCF可产生四倍于无薄膜情况的碳汇。PRCF的节能节水特性有助于资源效率和可持续性，减少对水/能源密集型系统的依赖。通过减少局部变暖，PRCF保护生物多样性并增强生态系统恢复力，同时通过封存二氧化碳为减缓气候变化做出贡献。PRCF结合环境因素与创新设计，为可持续发展带来深远影响。
来源：高分子科学前沿
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