在寒冷的冬天，灶臺(tái)邊、汽車(chē)排氣管中，熱氣騰騰的水蒸汽隨處可見(jiàn)，自然而然地我們會(huì)將蒸汽與高溫燃燒聯(lián)系在一起。然而，近日美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家們公布的一項(xiàng)直接從冰水中產(chǎn)生蒸汽的新技術(shù)卻打破了這種慣性思維，令人感到驚訝。從冰水到蒸汽的飛躍是如何實(shí)現(xiàn)的？要具備什么樣的“資質(zhì)”才能成為這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵材料？“太陽(yáng)能蒸汽”技術(shù)會(huì)被應(yīng)用在生活中的哪些地方？

　　納米材料上離子共振讓水瞬間變成蒸汽

　　遼寧日?qǐng)?bào)：1765年，英國(guó)發(fā)明家瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)，大大提高了它的效率。從那時(shí)起，人類(lèi)文明裝上了強(qiáng)健有力的新引擎，世界在蒸汽的推動(dòng)下進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)代。時(shí)至今日，在歷經(jīng)電氣時(shí)代、原子能時(shí)代等能源科技的諸多變遷后，蒸汽仍然是目前世界上最常用的工業(yè)流體之一。近日，美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家們公布的一項(xiàng)新技術(shù)讓蒸汽再一次與新能源“聯(lián)姻”，引起公眾的關(guān)注?？茖W(xué)家稱可利用納米粒子直接將水轉(zhuǎn)換成蒸汽，甚至于在冰水中該方法同樣有效。苗研究員，請(qǐng)您為我們介紹一下這種變化是如何實(shí)現(xiàn)的嗎？

　　苗蕾：好的。這項(xiàng)“太陽(yáng)能蒸汽”技術(shù)的關(guān)鍵，就在于研究人員發(fā)現(xiàn)了金屬納米粒子的表面等離子共振可以大幅增強(qiáng)吸收太陽(yáng)光的能力，并將其利用到太陽(yáng)能蒸汽領(lǐng)域，從而使傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料更具威力。當(dāng)將這些納米粒子材料浸沒(méi)在水中并暴露在陽(yáng)光下時(shí)，它們會(huì)急速升溫，而且很快溫度就能超過(guò)水的沸點(diǎn)。在它們的“帶動(dòng)”下，幾乎瞬間容器內(nèi)就能產(chǎn)生水蒸汽。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：為什么這種納米粒子會(huì)在陽(yáng)光下急速升溫？

　　苗蕾：金屬納米粒子在小到一定尺寸的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生表面等離子共振（SPR）的物理現(xiàn)象，由于共振致使電子吸收了光能量，從而使反射光在一定角度內(nèi)大大減弱。當(dāng)光線照射到水上時(shí)，這些粒子迅速升溫，超高的溫度可以讓其周?chē)乃苯悠?。而包裹在納米粒周?chē)乃羝挚梢孕纬梢粚痈魺釋訉⑵渌^冷的液體隔開(kāi)，使得納米粒附近的水域溫度越來(lái)越高。而當(dāng)粒子周?chē)陌鼩怏w越來(lái)越多后，產(chǎn)生的浮力將粒子浮到表面，大量水蒸汽爆開(kāi)迅速釋放到空氣中，然后粒子再沉到水底繼續(xù)吸熱，產(chǎn)氣，上升，釋放，下沉如此循環(huán)往復(fù)。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：用這種方法制造出來(lái)的水蒸汽可以達(dá)到多高的溫度？

　　苗蕾：萊斯大學(xué)的研究者們給出的結(jié)論是在1atm （標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下，蒸汽可以達(dá)到100℃左右。從太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化的角度來(lái)講，這是不可思議的。當(dāng)然根據(jù)上面我講過(guò)的原理，大家不難發(fā)現(xiàn)，隨著實(shí)驗(yàn)條件不同，產(chǎn)生的水蒸汽溫度也會(huì)有所差異。比如相同面積的納米粒子被高度聚焦的太陽(yáng)光照射所產(chǎn)生的熱量，肯定會(huì)與相對(duì)分散的太陽(yáng)光直接照射產(chǎn)生的熱量不一樣，自然水蒸汽的溫度也就會(huì)不一樣。從目前公布的資料來(lái)看，與溫度相關(guān)的聚光比、受光面積等關(guān)鍵指標(biāo)還沒(méi)有明確的記載，所以我們無(wú)法精確地下結(jié)論。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：近年來(lái)太陽(yáng)能利用技術(shù)層出不窮，而太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率一直是這個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。那么我們談到的這項(xiàng)技術(shù)效率如何？

　　苗蕾：這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家認(rèn)為該技術(shù)能把約80%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成蒸汽能。如果通過(guò)當(dāng)前的蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電，那么其總體效率可達(dá)到24%。而我們比較熟悉的光伏太陽(yáng)能電池板的綜合能效通常在15%左右。研究人員認(rèn)為，隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，效率仍有提升的空間。

　　其實(shí)，液體中的納米顆粒吸收太陽(yáng)能的效率達(dá)到90%左右都是可能的，但是問(wèn)題是吸收熱能以后的轉(zhuǎn)換效率，這個(gè)部分我沒(méi)有試驗(yàn)過(guò)，不能輕易評(píng)價(jià)。

　　與光電轉(zhuǎn)化材料相比光熱轉(zhuǎn)化材料更便宜

　　遼寧日?qǐng)?bào)：太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)有很多種，我們的“太陽(yáng)能蒸汽”技術(shù)屬于其中的哪一種？

　　苗蕾：太陽(yáng)能熱利用按溫度劃分，目前可分為三領(lǐng)域。其中40℃至80℃為低溫領(lǐng)域、80℃至250℃為中溫領(lǐng)域、250℃至800℃為高溫領(lǐng)域。

　　低溫領(lǐng)域熱利用技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)比較成熟，主要提供生活用熱水，其產(chǎn)品為平板型或真空管型集熱器。

　　中溫領(lǐng)域熱利用技術(shù)主要以提供工農(nóng)業(yè)用熱為主，目前較為先進(jìn)的應(yīng)用是空調(diào)制冷、區(qū)域建筑供暖及部分工業(yè)用熱等等。國(guó)際上普遍采用平板集熱器或玻璃-金屬封接式集熱管集熱器。

　　高溫領(lǐng)域熱利用技術(shù)主要應(yīng)用是太陽(yáng)能熱發(fā)電，集熱管結(jié)構(gòu)方式為高溫真空太陽(yáng)集熱管。目前國(guó)際光熱應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)正從傳統(tǒng)的低溫?zé)崴畱?yīng)用逐步向中高溫工業(yè)應(yīng)用和熱發(fā)電應(yīng)用轉(zhuǎn)變。

　　這項(xiàng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化蒸汽技術(shù)屬于中高溫領(lǐng)域。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：能夠?qū)⑺訜嶂林懈邷?，進(jìn)而制造蒸汽的納米顆粒，需要有哪些特性？

　　苗蕾：太陽(yáng)給地球帶來(lái)光與熱，主要靠電磁輻射的形式。太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)主要分布在0.25至2.5微米范圍內(nèi)。從光熱效應(yīng)來(lái)講，太陽(yáng)光譜中的紅外波段直接產(chǎn)生熱效應(yīng)，而絕大部分光不能直接產(chǎn)生熱量。我們感覺(jué)在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下的溫暖和炎熱，主要是衣服和皮膚吸收太陽(yáng)光線，從而產(chǎn)生光熱轉(zhuǎn)換的緣故。從物理角度來(lái)講，黑色意味著光線幾乎全部被吸收，吸收的光能即轉(zhuǎn)化為熱能。因此為了最大限度地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換，似乎用黑色的涂層材料就行了，但實(shí)際情況并非如此。

　　這主要是材料本身還有一個(gè)熱輻射問(wèn)題。從量子物理的理論可知，黑體（一個(gè)理想化物體，能夠吸收外來(lái)的全部電磁輻射，并且不會(huì)有任何的反射與透射）輻射的波長(zhǎng)范圍在2至100微米之間，黑體輻射的強(qiáng)度分布只與溫度和波長(zhǎng)有關(guān)，輻射強(qiáng)度的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在10微米附近。

　　由此可見(jiàn)，太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)分布范圍基本上與熱輻射不重疊，因此這種納米材料要實(shí)現(xiàn)最佳的太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換，就需要在太陽(yáng)光譜內(nèi)吸收光線程度高，即有盡量高的吸收率，并且在熱輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)有盡可能低的輻射損失，即有盡可能低的發(fā)射率。兩個(gè)參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，我們?cè)谘邪l(fā)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料時(shí)，一般需要材料 （常用的太陽(yáng)能選擇吸收涂層而非這種納米顆粒）的吸收率大于0.95，發(fā)射率小于0.05。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：制備這種納米材料是否需要昂貴的原料？

　　苗蕾：這些納米顆粒的造價(jià)不算非常昂貴。目前太陽(yáng)能應(yīng)用主要集中在光熱利用和光電利用兩大領(lǐng)域。相對(duì)于太陽(yáng)能光電技術(shù)來(lái)講，太陽(yáng)能光熱的材料制備相當(dāng)簡(jiǎn)單，廉價(jià)。但是因?yàn)樾枰砑右欢ǖ募{米金屬粒子（金、銀等貴金屬），也需要一定的成本。當(dāng)然，這里還有一個(gè)很通俗的道理，就是性能追求越高，成本也會(huì)越高。

　　醫(yī)療消毒、水質(zhì)凈化太陽(yáng)能蒸汽初顯身手

　　遼寧日?qǐng)?bào)：您覺(jué)得 “太陽(yáng)能蒸汽”在未來(lái)發(fā)展的道路上會(huì)遇到哪些技術(shù)上的難點(diǎn)？

　　苗蕾：不少人都知道“我之所以站得高，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟稀边@句出自世界著名科學(xué)家牛頓之口的名言。它告訴我們科技發(fā)明很難一蹴而就，也就是說(shuō)技術(shù)的進(jìn)步是一點(diǎn)點(diǎn)向前推進(jìn)的。其實(shí)，仔細(xì)翻閱歷史你會(huì)發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)太陽(yáng)能蒸汽技術(shù)中也有“前輩的身影”。多年前科學(xué)家也做過(guò)類(lèi)似的研究，但是囿于當(dāng)時(shí)科技的整體水平，研究暫時(shí)作罷。近30年來(lái)，由于納米材料的分散和表面處理有了很大進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)才再次進(jìn)入我們的視野。相較以前的研究，這種方法在效率上有了一定的提高和改善。

　　提到技術(shù)上的難點(diǎn)，我覺(jué)得首先制備這種光激納米粒子條件相對(duì)比較苛刻，此外如何延長(zhǎng)納米粒子的壽命并降低成本，如何控制其在水中的分散程度、穩(wěn)定性，如何將其分離、沉淀等很多問(wèn)題都將是這項(xiàng)技術(shù)向前發(fā)展時(shí)遇到的挑戰(zhàn)。

　　而且這種方法與多年前的研究面臨著相同難題，那就是如何用它來(lái)規(guī)模化制造大量的蒸汽?；蛟S正是因?yàn)槿绱?，目前研究這項(xiàng)技術(shù)的科學(xué)家才并沒(méi)有考慮如何用它來(lái)發(fā)電，而是把它首先定位在為邊遠(yuǎn)地區(qū)的衛(wèi)生設(shè)施消毒和凈化水質(zhì)。據(jù)說(shuō)萊斯大學(xué)的研究人員已研制出了一個(gè)能在缺電地區(qū)為醫(yī)療器械消毒的“太陽(yáng)能蒸汽”高壓鍋，他們還準(zhǔn)備為沒(méi)有下水道或照明的地區(qū)研制一個(gè)超小規(guī)模人體廢物處理系統(tǒng)。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：這項(xiàng)技術(shù)還有哪些潛在的用途？

　　苗蕾：研究這項(xiàng)技術(shù)的人員曾經(jīng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了蒸餾實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)“太陽(yáng)能蒸汽”效率要比現(xiàn)有蒸餾塔高出兩倍半之多。高蒸餾效率，暗示這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在海水淡化、生物質(zhì)制備醇類(lèi)的提純及其他多種液體的提純和凈化方面。