【奈米天線 太陽能利用明日之星】

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【奈米天線 太陽能利用明日之星】

 

 

奈米天線薄片有望在未来覆蓋建築物屋頂，或成為混合動力汽車、手機、iPods等電子產品的輕量級的「外殼」，提供一個連續、廉價的再生能源。（Getty Images）

 

（記者夏瑞希編譯報導）

 

美國愛達荷(Idaho)國家實驗室研發出以低成本將數十億個奈米天線（nanoantennas）嵌入塑膠軟片，以收集太陽熱能的技術。

 

這是邁向大面積經濟利用太陽能的第一步，奈米天線也可望以更便宜、更有效的優勢取代傳統的太陽能電池。

 

奈米天線的目標是吸收能量輻射中的中紅外線（mid-infrared）。

 

紅外線是到處可見的一種能量形式，比如太陽輻射中有，而在工業製造過程中，如燃煤發電廠，也能產生這種能量形式。

 

紅外線可分為遠、中和近紅外線，而地球白天從太陽吸收能量之後不分晝夜、持續發散的熱輻射就屬於中紅外線。

 

相比之下，傳統的太陽能電池只能吸收白天的可見光，天黑後就不起作用了。

 

所以，奈米天線在吸收太陽能上較傳統太陽能電池具有更大優勢。

 

這種奈米天線是微小的金色方塊或螺旋形，排列在一個特別處理成形的聚乙烯上，聚乙烯就是使用於家常塑膠袋上的材質。

 

這是研究人員第一次用這種奈米天線成功收集到紅外線，之前研發的天線只能收集電磁波譜的低頻波段，如微波，但無法收集到紅外線這樣頻率更高的波段，部份原因是材料的屬性在高頻波動的情況下會大幅改變。

                                                             
鑲嵌奈米天線的彈性聚乙烯模塊。（网絡圖片）

研究人員研究各種材料（包括黃金、錳、銅）在紅外線下的反應，並利用產生的數據建立奈米天線的電腦模型。

 

他們發現，如果選對材料、形狀和大小，模擬的奈米天線可以從紅外線波段中收集高達92%的能量。

 

隨後，研究人員著手製造真實原型以測試他們開發的電腦模型。

 

他們用傳統的生產方法，把天線模組蝕刻入矽（硅）片中。

 

以矽為基礎的奈米天線符合模擬的電腦模型，能夠從紅外線波段中吸收80％以上的能量。

 

接下來，他們使用反複印壓的過程（stamp-and-repeat process）將奈米天線嵌入到薄薄的塑膠片上。

 

雖然該塑料原型尚在測試，但初步實驗證明，它也能有效地在紅外波段吸收能量。

 

有發展成為「冷卻裝置」的潛力

 

奈米天線吸收紅外輻射的能力，使它們有機會成為未來的冷卻裝置，可以不使用電力就從建築物或電子產品吸收餘熱。

 

因為大部份的工業過程都會以發放紅外線的方式散熱，而這些能量通常白白被浪費了。

 

奈米天線可收集這些輻射線並重新以無害波長的形式放出能量，這在能源價格高漲的今天特別有意義。

 

這樣的系統不像目前使用的空氣冷卻設備或電風扇等散熱裝置那樣，還得須要外接電源。

 

尚待突破的技術問題

 

奈米天線所收集的能量要轉換成實用的電力還需要更多先進技術的輔助，因為紅外線會在奈米天線產生出交流電，使得奈米天線每秒振盪頻率達數兆次，需要一個整流器將交流電轉換為直流電，而目前的整流器不能處理這麼高的頻率。

 

研究人員還須設計出奈米整流器來搭配奈米天線使用，而且奈米整流器必須比目前的商業整流器小1000倍才行，同時也需要新的製造技術。

 

另一種可能是開發新型電路，將高頻電流減緩到可用的頻率。

 

如果這些技術障礙都可以克服，奈米天線有可能取代傳統的太陽能電池，因為傳統的太陽能電池依賴於化學反應，從可見光收集的能源，最多只能有20%的利用率。

 

雖然科學家已經研製出更有效率、更複雜的傳統太陽能電池，但這些模型過於昂貴，無法廣泛使用。

 

而奈米天線的優勢為：可依據其形狀和大小，扭曲變形以收集特定的波長。

 

這種靈活性有可能創造出雙面的奈米天線薄片，可從太陽光譜的不同部位收集能源。

 

反覆印壓過程也可以擴展為大型滾捲對滾捲（roll-to-roll）的製造技術，每分鐘可以快速印製出好幾碼的奈米天線陣列。

 

將來，奈米天線薄片有可能可以覆蓋建築物的屋頂，或被製造成輕量級的「外殼」，可為混合動力汽車、手機、iPods等電子產品，提供一個連續、廉價的再生能源。