中国研究人员设计了世界上“最黑暗的金属”,将太阳光转化为蒸汽,效率达到90%,曾经是工业革命背后的主要力量蒸汽动力可能会重新成为时尚。

尽管是由金制成的,所谓的“等离子吸收体”是黑色的,因为它吸收可见光至中红外光谱中99%的光。其设计师表示,这是一个比以前的金属吸收体戏剧性的改善,可以媲美世界上最黑暗的材料,碳纳米管(CNT)阵列。与其多孔结构相结合,这使得金属能够使用太阳能产生比传统方法低得多的光强度和温度的蒸汽,这些传统方法将阳光集中到非常高的水平以驱动蒸汽轮机。

研究人员表示,该器件还可以自行组装,可以为大量应用大规模生产等离激元吸收体。[ 10种技术将改变你的生活 ]

南京大学教授贾竺说:“这为太阳能催化,水净化,传感器和探测器提供了很多可能性。“蒸汽可以用来杀死细菌,用于生物医学应用,其他人则试图用蒸汽来运行热机来发电,而蒸汽也可以用来作为一种干净的水,一旦你冷凝了,有很多东西可以完成,我看到我们的吸收体有巨大的潜力。“

在4月8日发表在“科学进展 ” 杂志上的一篇论文中描述的这种新的吸收体利用了等离子体激元,其中允许电流通过金属的自由电子也可以被组成光的电磁波激发。

通过仔细设计纳米级金属结构,可以利用这种效应来吸收光的能量。目前,这些设计通常仅在特定波长才有效,构建它们需要复杂的实验室技术,例如聚焦离子束和电子束光刻。

对于他们的新吸收体,中国研究人员采用了阳极氧化 – 一个简单的过程,利用电力来氧化金属表面 – 创建一个点缀着纳米级孔隙的氧化铝模板。然后他们引入了自组装在模板表面和孔内的金纳米粒子蒸气。

模板的蜂窝形状有助于通过降低反射率来将光限制在吸收体上,但朱说成功的秘诀是将随机大小的纳米粒子挤在一起。

通常电子被激发的光频率在很大程度上取决于颗粒的大小,因此具有不同的颗粒尺寸意味着覆盖更多的频率。另外,研究人员表示,当粒子被紧密包裹时,它们的电子可以一起工作,更有效地与光线相互作用,并且在很宽的波长范围内。

“每个粒子都可以响应不同的频率,但当它们紧密堆积在一起时,它们也可以一起工作。

为了证明该装置的实际效能,科学家们证明,当照射四个太阳光时,可以通过简单地漂浮在水面上产生蒸汽,其强度远远低于其他太阳能蒸汽发生器所要求的。[ 十大最疯狂的环保理念 ]

朱先生认为,吸收器的结构也意味着在与设备不接触的加热水上浪费的能量非常少。他补充说:“只有水的顶部表面被加热,立即蒸发。” “多孔结构为蒸汽提供通道。”

英国巴斯大学物理系的教授Ventsislav Valev最近建立了一个工作的纳米光子蒸汽机,在这个机器上使用激光照射的等离子体纳米粒子产生蒸汽。他表示,团队结构的高吸光度和宽波长范围令人印象深刻,他同意有朝一日能够大规模生产。

“我看到的问题是,在扩大生产规模的过程中,热量损失到环境将成为一个重要因素,”Valev告诉Live Science。他说他的研究小组发现从少量的水中产生蒸汽很容易,但是在大量生产时变得越来越困难。

新型吸收体的效率和带宽都与使用碳纳米管的效率和带宽相近,但是他们的方法可以搭载在已经很发达的冶金行业,而碳纳米管技术仍然局限于实验室。

但是,他认为两种吸光方法可以互补,都应该进行调查。“碳纳米管有其独特的优势,但金属也是独一无二的,”朱说。如果我们现在可以将吸收金属的难以置信的光与其他性质如催化或传感结合起来,那将会很棒。“

朱说,他和他的同事们正在开发高效率,低成本,只有一个阳光强度的材料和工艺。