Monday, Nov. 24, 2014

     

奈米讓蒸氣更爭氣 !

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2012/11/29

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credit: CC by Mrs. Gemstone

文 / Y.-C. Wang

一般的傳統觀念認為,蒸氣的產生必須加入大量的熱能,使溶液達到沸點溫度,才能產生蒸氣。然而,最新的研究指出,若將奈米粒子加入水溶液中,只要利用陽光的照射,即可產生蒸氣。

萊斯大學 (Rice University) 的最新研究中,研究人員應用奈米粒子吸收大量光能量而產生熱能的特性,將含奈米粒子的水溶液經由陽光的照射而產生水蒸氣。奈米粒子由於粒徑小於可見光的波長 (約400-700 奈米),可吸收光的能量而產生熱能。此原理已被應用在許多生物與醫學的領域當中,包括癌症治療所使用的光熱療法 (Photothermal therapy) 與奈米粒子強化生醫影像(nanoparticle-enhanced bioimaging)等。過去也有許多研究在探討奈米粒子可以促進溶液的熱傳導的效應,但將奈米粒子加入水溶液中,並藉由吸收太陽能而產生蒸氣的研究則是首例。

該研究指出,在聚焦太陽光的照射下,奈米粒子水溶液將可在僅僅數秒內開始產生水蒸氣。原理是藉由奈米粒子在陽光的照射下,可以快速吸收能量而升溫到攝氏一百度以上 (水的沸點溫度)。此時水蒸氣(steam)會在奈米粒子表面上形成,而被水蒸氣包覆的奈米粒子會飄浮至溶液表面,而釋出水蒸氣,奈米粒子則回到溶液中重複上述步驟,如下圖。根據熱力學分析更進一步指出,將近 80%所吸收到的陽光能量被直接轉化為水蒸氣,僅 20 %左右的能量是被轉化為加熱水溶液的能量(此實驗中可視為能量損失)。這與傳統上必須要將全部的水溶液加熱至沸點溫度,才能開始生產蒸氣的觀念大不相同。

奈米粒子水溶液藉由陽光照射而產生水蒸氣之原理 (圖片來源: ACS Nano)

研究人員更進一步將奈米金粒子加入酒水(ethanol/water)混合溶液裡,進行酒精蒸餾的實驗。在聚焦陽光的照射下,更高純度的酒精可以在未經加熱的情況下產生。所產生的高純度酒精裡也完全不含有所添加的奈米金粒子。在尚未最佳化實驗條件的狀態下,這利用奈米粒子水溶液吸收太陽能而產生蒸氣的總能源效益(overall energy efficiency) 是 24 %,此能源效益在未來將有機會達到更高。

可以預料的是,這將是一個擁有龐大潛在商機的新研究。未來這現象將可應用於蒸餾、水質純化、汙水處理等。高溫的蒸氣也可應用於醫療用品的殺菌等。除此之外,未來在極地(南北極),也可能透過光照和奈米粒子,在不用投入大量熱量的情況下產生蒸氣。研究人員也指出,除了陽光以外,未來利用奈米粒子有機會捕捉更多包括地熱或生物所產生的能量等,將可有助於更有效的利用能源。

參考資料:

  1. Solar Vapor Generation Enabled by Nanoparticles (ACS Nano)
  2. Photothermal therapy

Y.-C. Wang 作者為美國威斯康辛大學麥迪遜分校博士班學生

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。

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