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  在智慧農業系統中，植物照明和溫度傳感起著至關重要的作用。在人造光植物工廠(PFAL)中，LED由于具有出色的發光效率、可持續的發光時間、可調的光學特性以及與植物吸收的光譜匹配通常被用作植物光源，使植物能夠實現充足和穩定的光合作用。然而，通常用于LED封裝的環氧樹脂作為一種石油基材料通常具有熱穩定性差、抗老化性能弱、抗脆性低和不可降解等問題。與此同時，植物光合作用系統極易受到低溫等非生物脅迫的影響，導致產量降低。開發高靈敏度的溫度傳感器以促進智慧農業系統中的溫度檢測目前仍然是研究重點。因此，考慮到智慧農業植物照明和溫度傳感研究的現狀，從可持續發展的角度來看，設計和制造具有可調諧發光特性、柔韌性、生物降解性、可回收性以及適合大規模生產等集合特性的創新、一體化多功能發光薄膜提出了重大挑戰。

  近期，中國地質大學（北京）米瑞宇副教授、劉艷改教授聯合武漢大學陳朝吉教授團隊采用細胞壁工程，通過自上而下的策略成功構建了用于植物生長照明和光學測溫的集成化可回收透明發光木質薄膜(LTWF)。具體來說，利用高分子聚合物，纖維素以及熒光材料有機無機協同形成的氫鍵和自鍵制備了可回收發光透明木膜。其在紫外線激發下表現出藍光和紅光雙波段的熒光發射并與植物生長所需的植物色素匹配良好。同時，該發光薄膜的雙波段發射具有截然不同的熱響應光譜信號，可以提高光學溫度傳感的靈敏度。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、環保性、生物降解性等優點被選為滲透聚合物。基于此，LTWF表現出優異的生物降解性，木質纖維素和PVA可以被土壤中的水和微生物自然降解成為PFAL的肥料來源，展現出一個有吸引力的生態閉環。此外，通過將報廢的LTWF溶解在水溶液中進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利用，從而為循環經濟提供了一條新的道路。該研究工作有望助力可持續智慧農業系統的發展以及相關領域的進步提供新的策略與解決方案。相關研究成果以“Toward Recyclable, Luminescent Transparent Wood Film via Synergistic Light Responses of Lignocellulose and Phosphors for Plant Growth Lighting and Optical Thermometer”為題發表在《Advanced Functional Materials》。中國地質大學（北京）22級碩士生陳歡、武漢大學博士陳俊青為論文共同第一作者，中國地質大學（北京）米瑞宇副教授、劉艷改教授和武漢大學陳朝吉教授為論文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委和中國科協青年人才托舉工程項目的支持。

圖1基于木質纖維素和熒光粉的協同光響應的LTWF的制造、降解和回收以及它們在植物照明和光學熱傳感器中應用的示意圖。

圖2 LTWF的結構和化學表征

圖3 LTWF的光學特性及其在植物照明中的應用

  在這項工作中，基于木質纖維素藍光發射和熒光粉紅光的協同光響應，可以實現具有雙發射帶的暖白光發射。具體來說，半峰寬FWHM = 120 nm的寬藍色發射源于木質纖維素中存在剛性構象，而紅色發射歸因于Eu²⁺的4f-5d躍遷。同時，LTWF的雙波段發射可以與植物葉綠素、類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照明應用的潛力很大。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的光學溫度傳感性能

  進一步，研究了LTWF的熱穩定性，發現雙波段發射之間存在不同的熱響應。因此，通過熒光強度比技術(FIR)評估了其在植物的非侵入式熱傳感應用的可能性。S_a的和S_r在423 K時分別達到0.642%/K和0.447%/K，具有較高的靈敏度，展示出較高的應用潛力。

圖5 LTWF的回收過程和可循環性

  將使用后的LTWF在水溶液中回收，在超聲輔助下木材管腔結構中 PVA、熒光粉和纖維素之間的氫鍵被搶先解離。隨后，脫木質素框架結構和PVA分子鏈之間相互作用的減少導致PVA鏈的滑動。PVA在水分子和PVA分子鏈之間形成氫鍵后完全溶解。表現出該薄膜優異的回收特性。進一步，將回收框架按照相同的過程再次制造，其表現出藍色和紅色發射帶的完美可還原性。此外，LTWF可以在自然環境土壤中生物降解，并通過為PFAL中的植物生長提供養分來參與碳循環。

  總結：本研究通過木質纖維素和功能熒光粉的協同光響應，采用自上而下的策略創新性的構建了可回收的集成化發光木質薄膜，其具有藍光-暖白光-紅光的光學可調性并與植物生長所需的光敏色素光譜完美重疊，因此能夠作為植物生長照明的綠色光源；同時，該薄膜雙波段發射波長存在不同的熱響應現象，基于FIR策略其具有在植物的非侵入式熱傳感中的應用潛力。這一工作為可持續智慧農業系統的發展以及相關領域的進步提供新的策略與解決方案。

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