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近日，澳大利亞墨爾本(ben)斯威本(ben)科技大學（Swinburne University of Technology）轉化原(yuan)子材料(liao)中心（Center for Translational Atomaterials，CTAM）的研究人員(yuan)開發(fa)了(le)一種(zhong)新型石墨烯(xi)薄膜(mo)，這種(zhong)薄膜(mo)可以吸收90%以上的太陽光(guang)，同(tong)時消除了(le)大部分紅外熱發(fa)射損(sun)失。

這(zhe)種高(gao)效的太陽能(neng)加熱超材料能(neng)夠在開(kai)放環境中以最(zui)小的熱損(sun)失快速加熱到83攝氏度（181華氏度）。該薄膜被建議應用于熱能(neng)收集和(he)儲存(cun)、光熱發電和(he)海水淡化等領域。

CTAM創始董事(shi)賈寶華教授表示，在吸(xi)收(shou)(shou)太陽光的(de)同時抑制(zhi)熱輻(fu)射損失（也稱為黑體(ti)輻(fu)射）對于(yu)高效的(de)太陽能熱吸(xi)收(shou)(shou)器(qi)至關重要，但(dan)要實現這(zhe)一目標卻極為困難。她解釋說：“這(zhe)是因(yin)為，根據吸(xi)收(shou)(shou)的(de)熱量和(he)吸(xi)收(shou)(shou)體(ti)的(de)特性(xing)(xing)，發射溫度不同，導致其波長有顯(xian)著差異。但(dan)是我們已經開發出了一種三(san)維(wei)結構(gou)的(de)石墨(mo)烯超材(cai)料（structured graphenemeta materials,SGM），它具有很(hen)高的(de)吸(xi)收(shou)(shou)性(xing)(xing)，可以選(xuan)擇性(xing)(xing)地濾除黑體(ti)輻(fu)射。”

這(zhe)種(zhong)三維結(jie)構(gou)的(de)(de)石墨烯超材料(liao)由一層30納(na)米(mi)厚的(de)(de)交(jiao)替石墨烯薄膜和沉積在溝槽(cao)狀納(na)米(mi)結(jie)構(gou)上的(de)(de)介電層組成，該(gai)結(jie)構(gou)兼作銅襯底以增強吸收。更(geng)重要的(de)(de)是(shi)，所述基板以矩陣排(pai)列來圖(tu)案(an)化(hua)，以使得波長(chang)選擇性吸收的(de)(de)柔性可調諧性。

石墨烯薄膜的(de)(de)(de)(de)設計(ji)吸收波(bo)長在(zai)0.28到2.5微(wei)米之間的(de)(de)(de)(de)光。銅(tong)基(ji)板的(de)(de)(de)(de)結(jie)構使得(de)它可(ke)(ke)以(yi)作(zuo)為選擇性帶通濾(lv)波(bo)器，抑(yi)制(zhi)(zhi)內部(bu)產生的(de)(de)(de)(de)黑(hei)體能量的(de)(de)(de)(de)正常發射(she)。這樣保留的(de)(de)(de)(de)熱(re)量可(ke)(ke)以(yi)進一(yi)步提高超材(cai)料的(de)(de)(de)(de)溫度(du)。因此(ci)，SGM可(ke)(ke)以(yi)快速加熱(re)到83攝氏度(du)。如果(guo)特定應(ying)用需要不(bu)同的(de)(de)(de)(de)溫度(du)，可(ke)(ke)以(yi)制(zhi)(zhi)備和調(diao)諧新的(de)(de)(de)(de)溝道(dao)納米結(jie)構，以(yi)匹(pi)配(pei)特定的(de)(de)(de)(de)黑(hei)體波(bo)長。

“在我們(men)之前的(de)工作中，我們(men)展(zhan)示了一種90納(na)米石墨(mo)烯吸熱材(cai)料(liao)，”賈教授(shou)說。雖然它(ta)可以加(jia)熱到160攝氏度(du)，“但它(ta)的(de)結(jie)構更為(wei)復(fu)雜，包括四(si)層(ceng)：基底(di)、銀(yin)層(ceng)、氧化硅(gui)層(ceng)和石墨(mo)烯層(ceng)。我們(men)的(de)新雙層(ceng)結(jie)構更簡單，不需(xu)要真(zhen)空沉積(ji)。制造方法可擴展(zhan)且(qie)成本低。”

這(zhe)種(zhong)新材(cai)料(liao)還將薄膜厚度顯(xian)著減少到三分之一(yi)而使用(yong)了較少的石墨烯，其薄度有(you)(you)助(zhu)于更有(you)(you)效(xiao)地將吸收的熱量(liang)傳遞到其他介(jie)質，如水(shui)。此(ci)外(wai)，薄膜是疏水(shui)性的，這(zhe)有(you)(you)助(zhu)于自我清潔，而石墨烯層有(you)(you)效(xiao)地保護銅(tong)層免受(shou)腐蝕，有(you)(you)助(zhu)于延(yan)長超材(cai)料(liao)的壽命。

“由于金(jin)屬基底的(de)結(jie)構(gou)參數是控制SGM整體(ti)吸收性能的(de)主(zhu)要因素，而不(bu)(bu)是其固有特性，因此(ci)可以根據應用需求(qiu)或成(cheng)本使(shi)用不(bu)(bu)同的(de)金(jin)屬，”Keng-TeLin說，他是最(zui)近(jin)發(fa)表(biao)在《自然通(tong)訊（Nature Communications）》上的(de)一篇(pian)關于超材料的(de)論(lun)文的(de)主(zhu)要作者，也(ye)是Swinburne大(da)學的(de)研(yan)究員。他指出(chu)，鋁箔(bo)也(ye)可以用來(lai)代(dai)替銅，而不(bu)(bu)會影響性能。

Keng-Te說(shuo)：“我(wo)們利用(yong)原型機薄膜來(lai)生產(chan)清潔的水(shui)(shui)，并獲得了96.2%的令人印象深刻的太陽(yang)能-蒸汽效率(lv)。對于使用(yong)可再生能源的清潔水(shui)(shui)發電(dian)來(lai)說(shuo)，這(zhe)是非常有競爭力的。”

他補充說，這種(zhong)超材料還可以用(yong)(yong)于能量(liang)收集和(he)(he)轉換應用(yong)(yong)、蒸汽發電、廢水(shui)凈(jing)化、海水(shui)淡化和(he)(he)光熱發電。

但仍然存在的一個挑戰是找到(dao)一種制造(zao)方法，使基板可伸縮。

“我(wo)(wo)們正在(zai)與一(yi)家私營(ying)公(gong)司Innofocus Photonics Technology合作(zuo)，該公(gong)司已將一(yi)臺涂層(ceng)機商業化，用于鋪(pu)設石墨烯和介(jie)電層(ceng)，”賈教授說(shuo)。“我(wo)(wo)們對此(ci)感到滿意。我(wo)(wo)們現在(zai)正在(zai)尋(xun)找(zhao)一(yi)種適(shi)合大(da)規模生產銅基板的方法。”她補充道，一(yi)種可能(neng)的方法是采用roll-to-roll工藝(yi)。

同時，研究人員還在繼續(xu)微調納(na)米(mi)結構設(she)計(ji)，提高(gao)SGM的(de)穩定性和吸收效(xiao)率。“至于商業化，”賈教授說，“我們認為這(zhe)在一到兩年內是可能的(de)。”