植物对光热的调制及其启示

在世界上最古老、最干燥的沙漠之一的纳米布沙漠上，存在着这样一种植物——千岁兰。千岁兰并不像其他沙漠植物一样尽量减小叶片面积形成仙人掌一样的针状叶，反而以巨大的叶片(图1)在炎热干燥的沙漠生存了千年。

图1.  千岁兰

你们是否有想过，沙漠中的植物是如何在如此艰苦的条件下生存的呢？

其实，这些植物能在生存条件严苛的沙漠中生存，得益于特殊的结构、成分对光和热的调制从而适应炎热、干燥的环境。

再举一个非常贴近生活的例子，在很炎热的夏天，我们不太敢触碰在外面暴露几个小时的汽车表面，但是如果你去摸摸树皮，会发现树皮是非常凉爽的。这与上面的道理是一样的，都是依赖于植物对光热的调节行为。

通过查阅文献和实验分析，我们研究了千岁兰在可见-近红外(400-1300nm)的透过率、吸收率和反射率。以此为基础分析千岁兰叶片在可见-近红外波段的光热调制行为。

我们推测千岁兰叶片的光热调制行为和其适应环境的能力与其表面、截面形貌和结构有关，于是我们研究了其表面、截面的结构，希望能够得到其光热调制行为的深层机理，进而启发和指导用于光热调制仿生新材料和结构的设计。

可见-红外光谱

通过文献调研，我们得到千岁兰在可见-近红外(400-1300nm)的透过率、吸收率和反射率如图2所示。可以发现，千岁兰叶片在可见光(400-780nm)有较高的吸收率(70-90%)、较低的反射率(10-30%)，并且几乎没有可见光透过叶片。值得注意的是，在750nm波长左右，千岁兰叶片吸收率骤降了约60%，伴随着吸收率的降低，其反射率剧烈增长了约50%，并开始有光的透过，但透过率很低(<20%)。此后在近红外短波波段750-1100nm形成了低透过(约15%)、低吸收(约15%)、高反射(约70%)的平台。在1100-1300nm阶段吸收率又逐渐上升，伴随着反射率和透过率的同步降低。

图2. 千岁兰叶片的反射、透过和吸收光谱

表面形貌

纳米布沙漠气候极为干旱炎热，沿岸的年降雨量不到25mm，在可见-近红外的光热调制行为帮助千岁兰以其独特的大叶片在严酷的环境中生存，并用自己的枝叶调节着周边的温度。图3A是千岁兰叶片截面的形貌，可以看出密集排列的栅栏组织细胞占据了叶片表皮的一半。富含叶绿体的栅栏细胞层侧向延伸到中央叶肉包围的成排的维管束（维管组织，有木质部和韧皮部呈束装排列形成的结构，主要作用是为植物体运输、储存水分和矿物质，并起到一定的支撑作用）。所有叶肉细胞之间都有大量小的细胞间空气间隙。如图3C，在表面和背面均有数量相同的气孔，且与密集的表皮细胞相比，气孔复合体深凹，且由插入图可以看出凹陷的气孔一大一小两层，这样特殊的结构使得叶片气孔的开口在表皮以下30-50μm之间，显著增加了上边界层的厚度。在表皮形成了一层厚厚的富钙晶体角质层和蜡质层。

图3.  SEM图像A、C：千岁兰叶片横切面、表面形貌

其实通过对植物光热调制行为的研究，可以开发和设计光热调制性能优异的仿生材料来推动建筑节能和能量转换的发展。在干燥炎热的纳米布沙漠，具有宽大叶片的千岁兰依赖对可见-近红外的高反射率，来降低其叶片的温度。耦合其深深凹陷的双层气孔复合体以及表面厚厚的富钙晶体以及蜡质层，可以有效地防止水分过快的散失。基于此，千岁兰以其宽大的叶片对周边环境通过遮阴、蒸腾作用以及热对流等方式进行热管理，扮演着沙漠的温度调节器的角色。

基于对千岁兰叶片和桦树树皮在可见近红外的光热调制行为以及表面形貌的初步研究，目前并没有发现其光热调制行为与表面形貌的关系。结合文献调研，我们认为千岁兰叶片在可见-近红外波段反射率、吸收率以及透过率的变化主要与其叶片表层的富钙晶体以及蜡质层（主要成分是长链脂肪酸以及其衍生而来的醛、醇、烷、酮、酯）有关；从植物光热调制行为出发，设计具有创新性、性能优异的光热调制材料来解决当前室内温度低能耗调控、太阳能电池的热管理等方面的问题。