轉自：http://pansci.tw/archives/31948
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:
Y.-C. Wang 作者為美國威斯康辛大學麥迪遜分校博士班學生
留言列表
