1、 古老的“热”
对热的探索和研究是一个古老而有趣的话题。早在人类历史的早期，先民们认为热与火有关，公元3000多年前的古埃及人认为热是万物形成的“原始力量”，并且在太阳诞生之前就已经存在。第一个提出热量理论的是生活在公元前500多年的古希腊哲学家赫拉克利特（Heraclitus），他认为“一切都在流动”、“一切都是火的交换”，是那个时期人们对“热流”和“热交换”最朴素的认识。17世纪时，人们认为热能是由运动产生的，英国哲学家和科学家弗朗西斯·培根就曾说过，“热量本身，它的本质和实质就是运动，没有别的。”到了18世纪，开始涌现出大量的关于热量和热能本质的理论，例如潜热和比热、传热、气体动力学等等，其中最著名的就是热力学第一定律，即能量守恒定律。等到19世纪，威廉·汤姆森总结了关于“热”的观点，在焦耳等人有关热力学理论的最新实验基础上提出：“热不是物质，而是机械效应的动态形式。”现在我们知道了，热能（Thermal energy）是由高温系统向低温系统自发传递的能量形式，同时也是系统内部能量状态的属性（即“内能”）。
2、解决能源危机的希望 - 光热转换
热的来源多种多样，除了石油、天然气等化石燃料的燃烧，即古人认为的“火”之外，其中太阳能是重要的来源之一。太阳日复一日照耀大地，不仅给予我们温暖，也为我们人类的发展带来无尽的能源。太阳能是被公认为取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，其每年向地球输送辐射能是全世界年需能量总和的数千倍以上。因此，开发取之不尽的清洁太阳能技术将带来巨大的长期效益，不仅可以解决化石燃料日益短缺的问题，还可以减少环境污染，减缓全球变暖的趋势呢！太阳能最直接又最有效的利用方式就是将太阳能转换为热能供我们人类利用，即光热转换。人类对太阳能的利用，最早可追溯到3000多年以前，而真正将太阳能作为能源和动力来使用，只是从300多年前开始。太阳能光热转换基本原理是通过一种特殊的材料，这种材料能够将分散的太阳辐射能量收集起来，转换为热能并加以利用，我们称之为吸光材料。相比于其它太阳能利用方式，太阳能光热利用技术更加成熟、清洁和高效，不仅适用于直接供热场合，也可以和光伏技术互补，提高太阳能利用效率。
3、如何实现光热转换？
通常，材料的表面受到太阳光照射都会产生热效应，但并不是所有的材料都会进行高效的光热转换。当材料表面受到光照后，吸收的光子能量与材料相互作用，导致材料内部粒子振动加剧，从而使材料温度升高。高效的太阳能光热转换材料一方面需要具备较高的吸光能力，尽可能吸收太阳光中的辐射能量，另一方面要将吸收的光能高效地转化成热能。目前报道的太阳能光热转换材料主要包括碳基类、贵金属类和半导体类光热转换材料。
（1）碳基光热转换材料
碳基材料本身具有天然的黑色，能够表现出较强的光热转换效应，是常见的太阳能光热转换材料之一。碳基材料家族丰富，包括碳黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳球等（图1），具有吸光性能强、结构稳定、成本低、获取便捷等优点。
图1 碳基光热转换材料。碳泡沫与石墨的双层结构左。3D打印多层碳基蒸发（光热）结构右。
（2）贵金属光热转换材料
贵金属光热转换材料具有吸光范围广、吸光性能强等特点，是常见的太阳能光热转换材料之一。贵金属材料制成的纳米颗粒主要通过表面等离子体共振产生光热效应，贵金属纳米颗粒表面的等离子体共振现象本质上是费米能级附近的自由电子，受到外界电磁波的影响，激发而形成的集体振荡。如图2所示，当入射光的频率与金属颗粒内自由电子的振荡频率匹配时，激发电子集体振荡，增强对入射光的吸收，产生局域表面等离子体共振现象。等离子体共振会产生用于热效应的热电子，被激发的热电子在入射的电磁场中振荡，通过焦耳效应产生热量。产生的热量通过纳米颗粒内部电子-电子的散射过程，重新再分配，从而实现材料整体被加热。最常见的贵重金属光热转换材料是金纳米颗粒（图3），其优异的光热转换能力可用于太阳能储热、光热疗法、光热探测等。
图2 贵重金属纳米颗粒光热转换过程。
图3 贵金属光热转换材料。
（3）半导体光热转换材料
相对于贵重金属光热转换材料，半导体光热转换材料具有成本低、稳定性好、制备工艺简单等优点。半导体光热转换材料主要通过太阳光激发的电子-空穴对的复合过程实现光热转换，因此具有宽带隙的半导体材料可以实现更高的光热转换效率，如三氧化二钛纳米颗粒和四氧化三铁纳米颗粒（图4）。
图4 半导体光热转换材料。三氧化二钛Ti2O3纳米颗粒左。四氧化三铁Fe3O4纳米颗粒右。
4、光热转换材料应用于界面光热转换技术
界面光热转换技术是一种高效利用太阳能的新兴技术，它是指将太阳的辐射能量集中在光热转换材料界面，通过隔热材料减少界面处的对流、辐射和传导热损失，避免了界面处的热量耗散，实现高效的光热转换。与传统的太阳能光热转换方法相比，界面光热转换技术具有响应快、效率高、结构简单等优点，是一种崭新的太阳能光热转化技术。基于这种界面光热转换技术可以开发不同的光热转换应用。
（1）海水淡化
水是构成生命的重要元素，虽然水占地球表面积的71%，但是，淡水资源仅占地球总水量的2.5%，能够被利用的淡水资源仅占淡水总量的0.34%，并且淡水资源分布极不均衡。全球人口的急剧增长、环境污染的不断加剧，导致越来越严重的水资源短缺问题。因此，利用界面光热转换技术在界面蒸发海水，实现高效的海水淡化，将成为解决全球水资源紧张的重要方法之一。目前报道的基于界面蒸发的太阳能海水淡化装置，可以集成在一个便携式的容器内，此装置能够漂浮在湖泊或海洋上，实现自动海水淡化与收集淡水（图5）。相对于商用大规模热力驱动的淡化装置或反渗透膜海水淡化装置，基于界面蒸发的漂浮式海水淡化装置能够通过内部毛细力的作用，持续地将海水吸引到界面蒸发区，加热并蒸发产生淡水，因此，不需要复杂的补水系统和收集装置，有利于在偏远地区使用。目前，小尺寸的漂浮式海水淡化装置可以产生淡水2.5 L m-2d-1，能够达到个人每天饮用水的标准。基于界面蒸发的海水淡化装置可利用价格低廉的材料构筑而成，整个装置的成本可减少到3 美元/m2，这比商用的太阳能淡水装置成本降低10倍以上。
图5 界面蒸发装置图左。漂浮式太阳能界面蒸发系统进行海水淡化的结构示意图右。
（2）太阳能发电
为了缓解全球能源问题，减少化石燃料对环境的破坏，利用清洁无污染的太阳能发电，一直是国内外专家学者研究的热点领域。基于界面光热转换技术的界面蒸发系统具有高效的蒸发效率，能够稳定地产生大量的蒸汽，因此，可利用界面蒸发过程中蒸汽的能量，实现热能向电能的转换，从而达到高效的太阳能利用。目前已经报道的利用太阳能界面蒸发技术产生电能的方式主要有三种，1、利用界面蒸发产生的蒸汽能量，驱动温差发电模块、压电材料或热释电材料产生电能；2、是利用盐水蒸发过程中产生的盐浓度梯度差产生电能（图6）；
图6 太阳能海水淡化与利用盐浓度差发电混合系统示意图。
从能量转换的角度来看，通过太阳能界面蒸发技术，将转换的热能储存在水或水蒸气中，是一种高效的能量转换方式。但是，由于储存在水或水蒸气的能量没有被有效的利用，因此造成了巨大的能量浪费。太阳能界面蒸发系统与发电系统相结合，能够实现高效的蒸发，同时产生电能，为解决水资源短缺和能源问题提出了新的方案。但是，太阳能界面蒸发系统在发电方面的利用尚未成熟，产生的电能效率低、电量少，还达不到大规模实际应用的要求。因此，需要继续提高材料性能、优化系统设计，进一步提升热电转换效率，朝着商业化实际应用不断迈进。
（3）污水净化
光催化降解污水最早在1976年由加拿大科学家Carey等人提出，其利用二氧化钛（TiO2）在光照下降解水中的多氯联苯，实现了对污水的净化。在光催化过程中，半导体光催化体系能够通过吸收太阳能，产生高活性的自由基，如H2O2、OH-、O2-、O3等，这些活性物种能够和水体中的污染物发生化学反应，从而将污染物降解为非毒性的小分子物质，因此该技术成为理想的水处理技术之一。然而，光催化剂大多数都只能够吸收特定波长范围内的光源，太阳能并不能被完全有效利用，造成了太阳能不必要的浪费。通过光热转换材料和光催化材料的复合，并利用界面光热转换技术，可以实现宽谱太阳能吸收，即提高污水蒸馏效率的同时，界面产生的热能也利于污水中有机污染物的光催化降解，为污水净化提供了一种新的解决方案（图7）。
图7 太阳辐射下无尘纸基复合材料净化水示意图左。界面蒸发加强吸附降解罗丹明B-RhB示意图右。
（4）蒸汽灭菌
高温蒸汽灭菌是一种常见的医疗器械消毒、食品加工、生活废弃物处理的技术手段，能够杀死细菌、饱芽等致病微生物，具有灭菌效果好、操作方便、成本低、无污染等优点。高温蒸汽具有温度高、能量大的特点，能够穿透致病微生物细胞壁，直接进入到细胞内，通过释放储存在高温蒸汽内的显热和潜热，引起细胞内的蛋白质凝固变性，从而达到灭菌的目的。太阳能界面蒸发系统利用天然的太阳能，无需额外的其他能源，能够快速产生大量的高温蒸汽，从而为灭菌系统提供所需的高温蒸汽。图8就是一种新型的基于水/空气界面的太阳能高温常压蒸汽灭菌系统。该系统不需要复杂的系统设计来承受高蒸汽压力，同时利用氧化石墨烯/聚四氟乙烯复合膜作为光热转换介质，收集入射的太阳光并将其转换为局部热。这种局部产生的热大大提高了膜的温度，并有助于产生120°C以上的高温蒸汽，同时通过化学和生物灭菌试验证明了该高温蒸汽的杀菌能力。该灭菌系统可以满足电力缺乏但有充足太阳辐射地区的灭菌需求。
图8. 基于太阳能界面蒸发的蒸汽灭菌示意图左。基于光热转换产生的高温蒸汽灭菌示意图右。
参考文献从略
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我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
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