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近日，澳大(da)(da)利亞墨爾本斯威本科技大(da)(da)學（Swinburne University of Technology）轉化原(yuan)子材料中心（Center for Translational Atomaterials，CTAM）的研究人員開發(fa)了(le)(le)一種(zhong)新(xin)型(xing)石墨烯薄膜，這種(zhong)薄膜可以(yi)吸(xi)收90%以(yi)上的太陽光，同時消除了(le)(le)大(da)(da)部分紅外(wai)熱發(fa)射損失。

這種高效的太陽(yang)能加熱(re)超材料能夠在開放(fang)環境中以(yi)最小(xiao)的熱(re)損失快速加熱(re)到83攝氏(shi)度（181華(hua)氏(shi)度）。該薄膜被建議(yi)應用于熱(re)能收集(ji)和儲存(cun)、光熱(re)發(fa)電和海水淡化等領域。

CTAM創始(shi)董事賈(jia)寶(bao)華(hua)教授表示，在吸(xi)(xi)收太(tai)陽(yang)光的同時抑制熱(re)輻(fu)(fu)射(she)損(sun)失（也稱(cheng)為(wei)(wei)黑(hei)體輻(fu)(fu)射(she)）對于(yu)高效(xiao)的太(tai)陽(yang)能熱(re)吸(xi)(xi)收器至(zhi)關重要，但要實現這(zhe)一目標卻極為(wei)(wei)困(kun)難(nan)。她解(jie)釋說：“這(zhe)是因為(wei)(wei)，根據吸(xi)(xi)收的熱(re)量和吸(xi)(xi)收體的特性(xing)(xing)，發(fa)射(she)溫度不同，導致其波長有(you)(you)顯著差異。但是我(wo)們(men)已經(jing)開發(fa)出(chu)了一種三維結構的石墨烯超材料(liao)（structured graphenemeta materials,SGM），它具有(you)(you)很高的吸(xi)(xi)收性(xing)(xing)，可以選擇性(xing)(xing)地濾(lv)除黑(hei)體輻(fu)(fu)射(she)。”

這種三維結構的(de)(de)石(shi)墨烯(xi)超材料由(you)一層(ceng)30納米厚的(de)(de)交替石(shi)墨烯(xi)薄膜和沉積在溝(gou)槽狀納米結構上的(de)(de)介電(dian)層(ceng)組成，該結構兼作銅襯底以(yi)增(zeng)強吸(xi)收。更重要的(de)(de)是，所述(shu)基板以(yi)矩陣排列來圖案化，以(yi)使得波(bo)長選擇性(xing)吸(xi)收的(de)(de)柔性(xing)可(ke)調(diao)諧性(xing)。

石墨烯薄膜的(de)(de)設計吸(xi)收(shou)波(bo)(bo)長在0.28到2.5微(wei)米(mi)之(zhi)間(jian)的(de)(de)光。銅基板的(de)(de)結(jie)構使得(de)它(ta)可以(yi)(yi)作(zuo)為選擇性帶通(tong)濾(lv)波(bo)(bo)器(qi)，抑制(zhi)內部產生的(de)(de)黑(hei)體能量(liang)的(de)(de)正(zheng)常發射。這樣(yang)保留(liu)的(de)(de)熱量(liang)可以(yi)(yi)進一步(bu)提(ti)高超材料(liao)的(de)(de)溫(wen)度。因此，SGM可以(yi)(yi)快速加(jia)熱到83攝(she)氏度。如果特定應用需(xu)要不同的(de)(de)溫(wen)度，可以(yi)(yi)制(zhi)備和調(diao)諧新的(de)(de)溝道(dao)納米(mi)結(jie)構，以(yi)(yi)匹配特定的(de)(de)黑(hei)體波(bo)(bo)長。

“在我(wo)們之(zhi)前的(de)工(gong)作(zuo)中，我(wo)們展(zhan)(zhan)示了一種90納米(mi)石墨(mo)烯吸熱材料，”賈教授說。雖(sui)然它(ta)(ta)可以加熱到160攝(she)氏(shi)度，“但它(ta)(ta)的(de)結(jie)構更(geng)(geng)為復雜(za)，包括四層：基底、銀層、氧化硅層和(he)石墨(mo)烯層。我(wo)們的(de)新雙層結(jie)構更(geng)(geng)簡單，不需(xu)要真空沉積。制造方法(fa)可擴展(zhan)(zhan)且(qie)成(cheng)本(ben)低(di)。”

這種新材(cai)料(liao)還將薄膜厚度顯著減少到(dao)三(san)分(fen)之一而使用了(le)較少的(de)(de)石(shi)墨(mo)烯，其薄度有(you)(you)助(zhu)(zhu)于(yu)更有(you)(you)效(xiao)地將吸收的(de)(de)熱(re)量(liang)傳(chuan)遞到(dao)其他(ta)介(jie)質，如水。此(ci)外(wai)，薄膜是疏水性的(de)(de)，這有(you)(you)助(zhu)(zhu)于(yu)自我清潔，而石(shi)墨(mo)烯層有(you)(you)效(xiao)地保護(hu)銅(tong)層免受腐蝕，有(you)(you)助(zhu)(zhu)于(yu)延長超材(cai)料(liao)的(de)(de)壽命(ming)。

“由于(yu)金(jin)(jin)屬基底的(de)結構參(can)數是(shi)控(kong)制SGM整體吸收(shou)性能的(de)主要(yao)因素，而(er)不是(shi)其(qi)固有(you)特性，因此可(ke)以根(gen)據應用需(xu)求或成(cheng)本使用不同的(de)金(jin)(jin)屬，”Keng-TeLin說，他是(shi)最近發表(biao)在《自然(ran)通訊（Nature Communications）》上的(de)一篇關于(yu)超材(cai)料(liao)的(de)論文的(de)主要(yao)作者(zhe)，也(ye)是(shi)Swinburne大學的(de)研(yan)究員(yuan)。他指出，鋁箔(bo)也(ye)可(ke)以用來代(dai)替銅，而(er)不會影響(xiang)性能。

Keng-Te說：“我們(men)利用(yong)原(yuan)型機(ji)薄膜來生(sheng)產清潔(jie)的(de)水(shui)，并獲得了96.2%的(de)令人印象深刻(ke)的(de)太陽能-蒸汽效率。對于使用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)的(de)清潔(jie)水(shui)發電來說，這是非常有(you)競爭力的(de)。”

他(ta)補(bu)充說，這種超材料還可以(yi)用于能量收集和(he)轉換應用、蒸(zheng)汽發電、廢水凈化、海水淡化和(he)光熱發電。

但仍然存在(zai)的一(yi)個挑戰(zhan)是找到一(yi)種(zhong)制造方法，使基(ji)板可伸(shen)縮。

“我(wo)(wo)們正在(zai)與一(yi)家(jia)私營公司Innofocus Photonics Technology合(he)作，該公司已將一(yi)臺涂層機(ji)商業化，用于鋪(pu)設石墨烯和介電層，”賈教授說。“我(wo)(wo)們對此(ci)感到(dao)滿意。我(wo)(wo)們現在(zai)正在(zai)尋找一(yi)種適(shi)合(he)大(da)規模生產(chan)銅基(ji)板的(de)方(fang)法。”她補(bu)充道(dao)，一(yi)種可能的(de)方(fang)法是(shi)采(cai)用roll-to-roll工藝。

同時，研(yan)究人員還在繼續微調納米結構設計，提高SGM的穩定性和吸收效率。“至于(yu)商業化(hua)，”賈教授說，“我(wo)們認為(wei)這在一到兩年內是可能的。”