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澳大利(li)亞墨(mo)爾(er)本斯威本科技大學(Swinburne University of Technology)轉(zhuan)化原子材(cai)料中(zhong)心(Center for Translational Atomaterials，CTAM)的研究(jiu)人員開發了一(yi)種(zhong)新型石墨(mo)烯薄(bo)膜(mo)，這種(zhong)薄(bo)膜(mo)可以吸(xi)收90%以上的太陽(yang)(yang)光(guang)，同時消除了大部(bu)分紅外(wai)熱發射損失(shi)，這是該項壯舉的首(shou)次報道。這是一(yi)種(zhong)高效的太陽(yang)(yang)能加(jia)(jia)熱超材(cai)料，能夠在開放環境中(zhong)以最小的熱損失(shi)快速加(jia)(jia)熱到83攝(she)氏(shi)度(du)(181華氏(shi)度(du))。該薄(bo)膜(mo)的擬議應用包括熱能收集和儲存、光(guang)熱發電和海水(shui)淡化。

CTAM創始董事賈寶華教授表示(shi)，在吸(xi)(xi)收(shou)太(tai)陽光的(de)同時抑制熱(re)輻(fu)射(she)損失(shi)(也稱為(wei)黑(hei)體輻(fu)射(she))對于高效(xiao)的(de)太(tai)陽能熱(re)吸(xi)(xi)收(shou)器至關重(zhong)要，但要實現(xian)這一(yi)目標卻極為(wei)困(kun)難。她解釋(shi)說：“這是因為(wei)，根據吸(xi)(xi)收(shou)的(de)熱(re)量和吸(xi)(xi)收(shou)體的(de)特性(xing)，發射(she)溫度不同，導致其(qi)波長(chang)有顯著差(cha)異。但是我們已經(jing)開(kai)發出了一(yi)種(zhong)三(san)維結構的(de)石(shi)墨烯超(chao)材料(structured graphenemeta materials,SGM)，它具有很(hen)高的(de)吸(xi)(xi)收(shou)性(xing)，可以選(xuan)擇性(xing)地(di)濾除黑(hei)體輻(fu)射(she)。”

這種三(san)維(wei)結(jie)構的石(shi)(shi)墨(mo)烯超材料由一層30納米(mi)厚的交替石(shi)(shi)墨(mo)烯薄膜和沉(chen)積(ji)在溝槽狀納米(mi)結(jie)構上的介電層組成，該結(jie)構兼作銅襯底以增(zeng)強(qiang)吸收(shou)。更重(zhong)要的是，所(suo)述(shu)基板以矩陣排列來(lai)圖(tu)案化(hua)，以使(shi)得波長選擇性吸收(shou)的柔(rou)性可調諧(xie)性。

石墨烯(xi)薄膜(mo)的(de)設計吸收(shou)波長(chang)在(zai)0.28到2.5微米(mi)之間(jian)的(de)光(guang)。銅基(ji)板的(de)結(jie)構使得(de)它可以(yi)作(zuo)為(wei)(wei)選擇性帶通濾波器，抑(yi)制(zhi)內部(bu)產生的(de)黑體能量(liang)的(de)正常發射。這樣保留的(de)熱(re)(re)量(liang)可以(yi)進一(yi)步提高超材料的(de)溫(wen)度。因此，SGM可以(yi)快速加熱(re)(re)到83攝(she)氏度。如果特定應用需要(yao)不同(tong)的(de)溫(wen)度，可以(yi)制(zhi)備和(he)(he)調(diao)諧新的(de)溝道(dao)納(na)米(mi)結(jie)構，以(yi)匹配(pei)特定的(de)黑體波長(chang)。“在(zai)我們(men)(men)之前的(de)工作(zuo)中(zhong)，我們(men)(men)展(zhan)示了一(yi)種90納(na)米(mi)石墨烯(xi)吸熱(re)(re)材料，”賈教授說。雖然它可以(yi)加熱(re)(re)到160攝(she)氏度，“但它的(de)結(jie)構更(geng)為(wei)(wei)復雜，包括(kuo)四層(ceng)：基(ji)底(di)、銀層(ceng)、氧化(hua)硅層(ceng)和(he)(he)石墨烯(xi)層(ceng)。我們(men)(men)的(de)新雙(shuang)層(ceng)結(jie)構更(geng)簡單，不需要(yao)真空沉積(ji)。制(zhi)造方法可擴(kuo)展(zhan)且成本低。”

這種新材料還(huan)將薄(bo)膜厚度(du)顯著減少到(dao)三分(fen)之一而使用了較少的石墨烯(xi)，其薄(bo)度(du)有(you)(you)(you)助于更有(you)(you)(you)效(xiao)地將吸收(shou)的熱量傳遞到(dao)其他介質，如水。此外，薄(bo)膜是(shi)疏水性的，這有(you)(you)(you)助于自我清潔，而石墨烯(xi)層有(you)(you)(you)效(xiao)地保護(hu)銅層免受(shou)腐蝕，有(you)(you)(you)助于延長超材料的壽命。

“由(you)于金(jin)屬基底(di)的(de)結構參數是控制SGM整(zheng)體(ti)吸收性(xing)能(neng)(neng)的(de)主(zhu)要因素，而(er)不是其(qi)固有特性(xing)，因此可以根據(ju)應用(yong)需求(qiu)或(huo)成本使(shi)用(yong)不同的(de)金(jin)屬，”Keng-Te Lin說，他(ta)是最近發表在《自然通訊(Nature Communications)》上的(de)一篇關于超材料的(de)論(lun)文的(de)主(zhu)要作者，也是Swinburne大學(xue)的(de)研究(jiu)員(yuan)。他(ta)指(zhi)出，鋁(lv)箔也可以用(yong)來(lai)代替銅(tong)，而(er)不會影響性(xing)能(neng)(neng)。

Keng-Te說：“我們利用(yong)(yong)原型機薄膜來生產清潔(jie)的(de)(de)水，并(bing)獲得(de)了96.2%的(de)(de)令(ling)人印象深刻的(de)(de)太陽(yang)能(neng)-蒸(zheng)汽效(xiao)率。對(dui)于使用(yong)(yong)可再生能(neng)源的(de)(de)清潔(jie)水發(fa)電來說，這是非常有競爭力的(de)(de)。”

他(ta)補(bu)充說，這(zhe)種超材料還可以(yi)用于能量收集和轉換應用、蒸汽發電(dian)、廢(fei)水凈化、海水淡化和光(guang)熱(re)發電(dian)。

但仍(reng)然存在的(de)一(yi)個(ge)挑戰是(shi)找到一(yi)種制造方(fang)法，使基(ji)板可伸縮(suo)。

“我(wo)們正在(zai)(zai)(zai)與一家私營公(gong)(gong)司(si)Innofocus Photonics Technology合作，該公(gong)(gong)司(si)已將(jiang)一臺(tai)涂層(ceng)機(ji)商業化，用(yong)于鋪設石墨(mo)烯和(he)介電層(ceng)，”賈教授說。“我(wo)們對此感到滿意。我(wo)們現在(zai)(zai)(zai)正在(zai)(zai)(zai)尋找(zhao)一種適合大規模生產銅基板的方(fang)(fang)法。”她補充道(dao)，一種可能(neng)的方(fang)(fang)法是采(cai)用(yong)roll-to-roll工藝。

同時(shi)，研究(jiu)人(ren)員還(huan)在繼(ji)續(xu)微調納米結構(gou)設計，提高SGM的(de)穩定性和(he)吸收效率。“至(zhi)于商業化，”賈(jia)教(jiao)授說，“我們認為這在一(yi)到(dao)兩年內是可能的(de)。”