有朝一日,夜光材料会照亮我们的城市吗?

赛先生 2021-11-26 19:02


已经在一些自行车道上使用的持久性发光物质,未来也许可以应用于人行道、街道和建筑物——既能节约能源,又能给城市降温。



作者|Kurt Kleiner

翻译|赵金瑜

校译|于茗骞


大约在1603年,意大利鞋匠兼业余炼金师文森佐·卡夏罗洛在博洛尼亚附近的帕德诺山的山坡上,发现了一些特别致密的石头。他尝试熔炼这些石头,结果没有像他所希望的那样产生金、银或其他贵金属。但在石头冷却后,卡夏罗洛发现了一些有趣的事情:如果他将熔炼产物暴露在阳光下,然后把它带入黑暗的房间中,石头会发光。


这种“博洛尼亚石”是第一种人工制备的持久性发光材料[1]。后来又有更多的发光材料出现,如今,持久性发光材料被用于装饰、应急照明、路面标记和医学成像。


也许有一天,我们能用这些材料建成更凉爽、耗电更少的发光城市。


新一代发光材料可以吸收原本可能会转化为热量的光,再重新散发出去,这样就可能会为城市降温。它们还可能减少能源的使用,因为发光的人行道、发光的路标甚至发光的建筑物都可以取代一些街道照明。欧洲的一些城市已经安装了发光的自行车道,一些研究人员已经开展了使用发光涂料作为道路标识方面的研究[3]


“这对环境更友好,”保罗·伯达尔说,他是加州伯克利的劳伦斯国家实验室的环境物理学家,现已退休。“如果技术可以改进,我们可以使用更少的能源......这是一件值得做的事情。”


博洛尼亚石是一种矿物重晶石,当时的自然哲学家对它很着迷,但从来没有什么大用途。但在20世纪90年代,化学家们开发出了新型的持久光致发光材料,例如铝酸锶,暴露在光照下后,可强烈发光数小时。这些新材料大多数会发出蓝色或绿色的光芒,但也有一些会发出黄色、红色或橙色的光芒。


这种光致发光材料的工作原理是“捕获”光子的能量,然后以低波长的形式重新发射能量。有些会瞬时发光,例如在荧光灯泡中。而另一种则被称为持久性发光材料,它们储存能量的时间更长,发射速度更慢。


图|已发现的发光材料有250多种。上图中按三种方式分类:(a) 作为发光中心的微量材料;(b) 主体化合物;(c) 材料发出的颜色。


这些可持续发出数小时强光的材料开启了新的可能性,例如由发光的人行道和建筑物, 也许不久就会有“在黑暗中发光”的城市。建筑工程师安娜·劳拉·皮塞洛及其同事在2021年的《材料研究年鉴》[4]中写道,由于照明占全球能源消耗总量的19%[5],而在欧洲,街道照明约占1.6%[6],因此(新材料的)节能潜力是巨大的。


这种方法的一个问题是,大多数发光材料不会在整个夜晚都发光。佩鲁贾大学研究节能建筑材料的皮塞洛说,更好的材料可以帮助解决这个问题。与此同时,现有的材料可以与电力照明相结合,可以先用电力照明为道路标记充足电,然后再将其关掉。


发光涂料还可以用于室外照明。皮塞洛的实验室开发出了一种夜光涂料,并在2019年的一份报告中[7],他们模拟了将这种涂料用在火车站附近的公共道路上,看看会发生什么。科学家们发现,通过在夜间发光,这种涂料可以将附近区域的照明所需的能量减少约27%。


皮塞洛表示,不用担心整个城市因整夜地闪耀而增加了有害的光污染[8]。因为发光材料可能只会取代现有的照明,而不是在现有的照明基础上增加。此外还可以选择发光的颜色,以避免对野生动物特别有害的蓝色频率。


发光材料还可以帮助对抗“城市热岛效应”。屋顶和人行道从太阳中吸收能量并将其作为热量散发出来,导致城市夏季气温比周围乡村平均高出7.7℃。高温是一种潜在的健康危害,也会导致更多的能源被消耗在室内制冷上。


一种越来越普遍的解决方案是使用反射光线的“冷”材料,例如白色油漆和浅色沥青。事实证明,添加发光材料可以起到更大的作用。


图|佩鲁贾大学的安娜·劳拉·皮塞洛和她的同事们正在尝试打造在黑暗中发光的实用路面。他们正在试验不同的发光物质,并测试如何将它们添加到路面材料中以获得最佳性能和耐用性。上图是发光材料和嵌有发光材料的铺路石板样品。图源:由安娜·劳拉·皮塞洛提供。


在劳伦斯伯克利实验室,伯达尔和他的团队用合成红宝石(一种在阳光下会发光的材料)进行实验,旨在制造能保持低温的彩色涂层[9]。在早期的实验中,他们报告说,与类似颜色的普通材料相比,添加了“红宝石”材料的表面在阳光下的温度更低。


皮塞洛的实验室更进一步,他们在混凝土中添加了几种持久发光的材料——能够储存光能并缓慢释放的材料[10]。与相同颜色的不发光表面相比,其中最好的样本在晴天时能将周围气温降低多达3.3°C。


“你可以让(表面)尽可能反光。但还能更进一步吗?这个想法是,也许你可以更进一步,将持久性发光作为另一种把能量转移出去的方式......这很有趣,“亚利桑那州立大学的机械工程师帕特里克·费兰说道。他在《环境与资源年鉴》上与人合著了一篇关于城市热岛效应的论文[11]


目前已知的发光材料有250种,其中许多还没有进行实际应用研究。皮塞洛说,有可能找到能持续更长的发光时间、更亮、拥有更多颜色的发光涂料和路面。


她说:“在短期内,最好、最简单的解决方案是改进我们已有的东西。”这包括调整材料,使它们发出更长时间、更强烈或不同颜色的光,并确保它们仍能在真实环境中有效。


她补充说,从长远来看,新型改造材料的效果会更好。例如,可以研究“量子点”——一种可以发光并且已经用于生物成像的微型半导体颗粒或者钙钛矿——用于太阳能电池的材料,人们也正在研究其发光特性。


注:Kurt Kleiner是多伦多的自由科学记者。


 版权声明 

本文授权翻译自Annual Reviews 旗下杂志 Knowable Magazine,点击文末阅读原文可订阅其英文通讯。

Annual Reviews是一家致力于向科研工作者们提供高度概括、综合信息的非营利性机构,且专注于出版综述期刊。

原文标题“Will glow-in-the-dark materials someday light our cities?”,作者 Kurt Kleiner,发布于2021.11.11 Knowable Magazine。链接https://knowablemagazine.org/article/technology/2021/will-glow-in-the-dark-materials-someday-light-our-cities。


译名对照表: (滑动可查看更多)

文森佐·卡夏罗洛 Vincenzo Casciarolo

博洛尼亚 Bologna

帕德诺山 Mount Paderno

持久性发光材料 persistent luminescent materials

保罗·伯达尔 Paul Berdahl

劳伦斯伯克利国家实验室 Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley

矿物重晶石 mineral baryte

铝酸锶 strontium aluminate

安娜·劳拉·皮塞洛  Anna Laura Pisello

《材料研究年鉴》 Annual Review of Materials Research

佩鲁贾大学 University of Perugia

帕特里克·费兰 Patrick E. Phelan

《环境与资源年鉴》 Annual Review of Environment and Resources

钙钛矿 perovskites


参考文献: (滑动可查看更多)

[1] https://www.schweizerbart.de/papers/ejm/detail/24/78460/The_Bologna_Stone_history_s_first_persistent_lumin?af=crossref

[2] https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-matsci-091520-011838

[3] https://www.jstage.jst.go.jp/article/easts/11/0/11_1726/_article

[4] https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-matsci-091520-011838

[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652617329876

[6] https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC115406

[7] https://knowablemagazine.org/do/10.1146/knowable-111121-2/full/%20https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1343/1/012198

[8] https://knowablemagazine.org/article/living-world/2018/there-goes-night

[9] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927024816301660

[10] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X20303388

[11] https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-environ-102014-021155


制版编辑 | Morgan


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