白炽灯有望借纳米光子材料再“上岗”

16-01-17

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白炽灯有望借纳米光子材料再“上岗”

自被发明后的100多年里,白炽灯曾照亮过无数房间,为无数人带来光明。灯丝点亮的那一瞬间被喻为灵感显现,昏黄的灯光亦成为一段难以割舍的温暖回忆。但随着能源利用效率更高、使用寿命更长的荧光灯和LED(发光二极管)灯具的出现,白炽灯如同胶卷和卡式磁带一样,逐渐从人们的视野中消失。
被淘汰的温暖回忆

早期的白炽灯
白炽灯,最早由托马斯·爱迪生进行商业开发,曾是全世界产量最大、应用最广泛的电光源。白炽灯用电流将钨丝加热到3000摄氏度左右,达到白炽状态,利用热辐射发出可见光。这些被加热的钨丝能发出所谓的黑体辐射,接近于阳光的光谱,能够忠实还原物体本来的色彩。在商业化开发后,立即受到了人们的欢迎。但是这种光源具有一个重要缺陷——其95%的能量都通过放热浪费掉了。这同时也会导致钨丝的快速蒸发,影响其使用寿命。因此,现在很多国家都已明令禁止并淘汰了这种技术。

安徽省亳州市一小区楼道里使用着的白炽灯。 东方IC 资料
“光回收”把热留住
日前,美国麻省理工学院和普渡大学的科学家组成的一个研究小组找到了一种方法或许能改变这一切,让白炽灯再现辉煌。

“光回收”技术既增加了光源的亮度和发光效率,也减少了热量流失。
据了解,该技术的核心是一种纳米光子材料和一种被称为“光回收”的技术。在新的研究中,以红外辐射的形式耗散掉废热是不被允许的,一种经过特殊设计的二级结构能重新吸收这些辐射并再次发出可见光。这种结构中,采用了一种名为光子晶体的物质,它由地球上最为丰富的元素或者常规材料经过沉积而成,能堆叠、沉积在各种衬底材料上。在这个系统当中,可见光能穿透灯泡发射出去,而携带热量的红外光则会像遇到镜子一样被反射回去,而后回到灯丝上产生更多热量,继而再次转化成更多的可见光。研究人员将这一过程称为“光回收”,它既增加了光源的亮度和发光效率,也减少了热量流失。
研究人员称,常规白炽灯的发光效率仅为2%到3%,普通的节能灯和LED灯则能达到7%至15%,而借助新技术开发出的新型白炽灯,其理论发光效率最高可达40%。
虽然,该团队在其所制成的概念验证设备上,还没有达到理论效率,但已经让白炽灯的发光效率提高三倍达到了6.6%。这一成绩足以媲美当今的一些节能灯和LED灯。
新技术刷新老设备
美国普林斯顿大学电气工程学助理教授亚历杭德罗·罗德里格斯说,这一结果让人印象相当深刻。他评价称,这充分说明,应用这种新的光子设计,存在短板的老设备也能焕然一新。“我相信,这项工作或许能让白炽灯重现辉煌。当然这项技术不会只用在灯泡上,同样的方法也可用于开发出更高效的光伏电池。”他说。
参与此项研究的麻省理工学院物理学教授马丁·索尔加西克说,白炽灯和LED都是伟大的技术,但更关键的是要深入了解其发光、发热的原理,以及如何让能量得到更高效的利用。这项研究最大的收获和贡献是找到了一种控制热量排放的方法。而至于哪项实际应用最有可能用到这项技术,现在还言之尚早。
除麻省理工学院外,这项工作还得到了美国能源部S3TEC能源前沿研究中心的支持。相关论文发表在最新一期的《自然·纳米技术》杂志上。

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