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纳米复合材料将广泛应用到新能源领域

发布时间:2019-10-12 21:28:37 编辑:笔名

预计在最近几年内,人类将在能源,尤其是可再生能源方面,取得重大突破。人们将会利用更安全的核电站,更高效的太阳能电池;风能、太阳能、海洋能在我们的生活中将得到更广泛的应用。但是,这些目标的实现都离不开科学,尤其是新材料方面的重大突破。

伟大设计——

纳米复合材料模型使核电站更安全

科学家们关于新材料的设想越来越明晰了。他们以纳米为单位来设计新材料(1纳米等于十亿分之一米)。在这样小的尺寸上,新材料可以拥有自己特性,这些属性可以提供理想的功能,特别是把新材料制成复合材料时,它们的功能就更加强大了。最近一系列研究表明,纳米材料在能源领域拥有广阔潜力。

研究人员已经很好地掌握了新纳米材料工程的工作机理。麻省理工的迈克尔·蒂米科维茨博士成功地研发出复合材料纳米化的设计模型。通过该模型,人们有望获得纳米复合材料具有其组成物质所没有的、全新的材料特性。

蒂米科维茨博士正在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室同一个研究小组进行相关实验。为了加速美国在能源科技领域的研究,美国政府资助了一项历时5年、耗资7.77亿美元的项目。项目由美国多个科研小组共同完成,洛斯阿拉莫斯国家实验室就是其中的一个小组。材料学博士蒂米科维茨正在寻找抗辐射能力强的物质。这种物质可以代替不锈钢给核反应堆做内壁来延长核反应堆的使用寿命,并将使核燃料得到更高效的利用来提高反应堆的效率。蒂米科维茨博士说:“目前,反应堆只利用了大约1%左右的燃料。所以即使燃料利用率仅略有增加,放射性废物也会大幅减少。

核反应堆的内壁之所以会劣化,是因为当用做内壁的金属暴露于射线时,金属就会变脆变弱。这个弱点是因为金属的晶体结构,而这种结构又是由高能粒子造成的,如中子撞击到单个原子,并把原子撞离原来位置。这些原子和其他原子发生碰撞,造成的损害蔓延开来。其结果就造成孔洞、裂缝等。

蒂米科维茨博士说确保纳米复合材料具有抗辐射能力的关键在于组成复合材料的不同物质层与层之间的界面。当不同的物质层越来越薄时,不同物质间的界面就决定了复合材料的特性。不同物质的界面使得复合材料表现出了原组成物质所不具备的新奇特性。

理想的纳米复合材料不仅能抗辐射损伤,它自己也不会通过吸收中子成为放射性物质。蒂米科维茨博士利用他的模型技术来选择可能的材料。铁基的裂变反应堆和将被应用到核聚变上的钨基的核反应堆都是他考虑的材料。这些材料被批准使用在核反应堆上还要假以时日,但是纳米复合材料设计模型本身就是技术上的重大突破了。

穿越光谱——

纳米技术使太阳能电池效率更高

在提高太阳能电池效率方面,纳米技术也将发挥更加重要的作用。英国伦敦帝国学院的研究人员在一个叫做“太阳能量子”的展览上披露了最新成果,纳米复合材料用来制作“多重接面”太阳能电池。该电池的每一层能够捕获太阳能光谱中特定的颜色。总的来说,这就比仅仅转换部分光谱的传统太阳能电池有效多了。

“传统太阳能电池只能把20%左右的太阳能转换成电能,‘多重接面’太阳能电池的转换率了已经超过40%,而且根据帝国学院的研究员艾金斯·达克思预测,多重接面太阳能电池有望在十年内把转换率提高到50%。多节太阳能电池在应用纳米技术进行大规模生产之前成本仍然会很高。研究人员预计,如果通过反射镜把太阳聚集在太阳能电池上,太阳能发电的成本仍会降低。

透过玻璃——

纳米复合透明材料

太阳能电池也可应用到建筑物,如在窗户上。德国弗劳恩霍夫研究所机械材料研究员正在寻找合适的透明材料。这些材料也将利用计算机模型来探索原子结构并来模拟电子运行模式。来自德国研究所的沃尔夫冈·柯纳说,传导材料和透明材料的良好结合可能会产生完全透视电子。

复合材料的纳米结构也能使较轻的材料拥有很大的机械强度。复合材料,例如以光纤玻璃和碳纤维合成的塑料树脂,已经广泛应用在生产制造业,用来生产汽车和飞机等。但是,通过控制纤维生产过程中的方向,可以产生变形复合材料,这种材料在一定条件下能够改变自身形状。这种变化可以来自外部控制,也可以是自发产生的,例如,对温度、压力、和速度引发的变化。

在英国的布里斯托尔大学先进复合材料创新和研究中心进行的研讨会透露,这种变形复合材料可以用于生产能效更高的风电和潮汐发电的涡轮叶片。一种双稳态复合材料能够快速改变其空气动力状况,这也将有助于消除刀片上不需要的压力。这将提高其效率,延长叶片的使用寿命,并且改善发电系统。变形复合材料意味着潮汐发电机可以制得更小,在商业上更具竞争力。依这种方式,材料科学上的些许变化将为可再生能源创造远大前程。

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