背景介绍
图文解读
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光热纳米材料发展趋势
图1. (A) 2000-2023年间，已经发表了涵盖光热纳米材料各个领域的学术文章；(B) 对不同国家光热纳米材料的研究水平进行了分析；(C) 光热元素的分布。
(数据来自Web of Science)
从2000年到2023年，光热材料的世界发生怎样翻天覆地的变化？在过去的两十多年里，光热材料在化学、材料科学、纳米技术等领域中的应用日益增多，这些学科的交叉融合不仅推动了科技的边界，更加速了这一领域的革新步伐。图1A清晰地展示了光热材料在多学科领域中的核心地位，占据了研究重点的25.69%。通过观察图1B，我们看到中国在光热纳米材料的研究上处于全球领先地位，美国和韩国紧随其后。这一成就不仅展示了中国科学家的创新能力，也突显了全球合作的重要性。光热材料的研究不仅仅是科学上的进步，更关注于如何促进全球可持续发展。其中，“良好的健康和福祉”占了研究焦点的53.1%，紧接着是“负担得起的清洁能源”和“清洁水和卫生设施”，占比分别为24.1%和16.4%。这些数字告诉我们，科学技术是提高人类生活质量的强大工具。在材料的选择上，金、银、铂等贵金属因其优异性能被广泛研究，并在元素周期表中被特别标记。图1C揭示了多元素复合材料的广泛性，显示碱金属、稀土元素和半导体元素等的多样性使用。材料科学作为探索和整合光热材料的关键领域，正不断地推动着科技的极限，为未来的科学研究和实际应用开辟了一条创新之路。
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光热转换的三种途径
图2. 不同类型材料的光热转换机制，(A) 局部等离子体纳米粒子的共振效应，(B) 非金属纳米材料的晶格振动，(C) 半导体材料的非辐射弛豫过程。
纳米科技正在开创能源转换和环境修复的新篇章，特别是在光热转换领域。纳米材料的光热转换主要通过以下三种方式实现：
（1）局部等离子共振效应：当光照射到贵金属如金、银、铂的纳米颗粒时，它们能够吸收光能并迅速转化为热能，显著提升周围的温度。这种效应基于纳米粒子与激光电场的相互作用，促使电荷载流子动态转换能量。
（2）分子热运动：非金属纳米材料，尤其是碳基材料，在接受近红外激光照射后，其内部结构促使电子从低能态跃迁至高能态。这一过程中的电子-声子耦合效应，使得激光能量高效转化为晶格振动产生的热能。
（3）非辐射弛豫机制：半导体材料的带隙宽度至关重要，它定义了能量吸收和转换的效率。较窄带隙的半导体材料能够更快地通过晶格相互作用将吸收的能量转化为热能，而不是通过发光方式散失。
通过深入理解这些机制，研究人员可以更精准地设计光热纳米材料，从而极大提高光能到热能的转换效率。这不仅是科学前沿的探索，也预示着光热技术在未来应用中的广泛可能性。
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光热纳米材料的设计原则
光热转换技术不仅是太阳能收集领域的重要组成部分，更是纳米材料设计的核心。这种技术依赖于材料的成分、化学结构和其他属性，这些都直接影响其将太阳能转化为热能的能力。
优秀的光热纳米材料需要满足三大标准：
（1）卓越的光吸收能力：在整个太阳光谱中有效吸收光能。
（2）高效的光热转换：将吸收的光能迅速转化为热能。
（3）持久的性能稳定性：确保在实际应用中长期有效。
图3. 光热纳米材料从设计到优化迭代的过程。
这些材料的研发涉及跨学科合作，包括理论建模、经验实验和迭代优化。我们运用多维结构设计、合金化、以及掺杂技术，精心构建具有理想特性的纳米材料。在理论探索方面，我们利用分子动力学模拟、密度泛函理论计算等前沿技术深入分析材料的电子和热特性。同时，借助机器学习和人工智能技术，我们能在庞大的数据集中发现新的模式和关系，这些都是传统方法难以触及的。为验证这些材料的光热效果，我们设计了精确的实验方案，从激光照射到热效率的全面测试。这些实验不仅验证理论，还不断推动材料的迭代优化，使其更加适应实际应用需求。在材料科学的发展前沿，光热纳米材料的持续创新正是我们跨学科合作的成果，展示了科学与工程的完美结合。
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光热纳米材料的应用
在过去二十年里，光热材料科学取得了突破性进展。这得益于我们对其基本机理的深入理解和创新工程方法的应用。光热技术涉及多种材料，包括贵金属、过渡金属、硅基和碳基材料，以及新兴的MXenes。最新数据显示，近三年内发表的光热相关文献数量占总数的45.3%，显示出该领域的研究热度日增。这些研究主要集中在光热杀菌和治疗应用（85.4%），光热海水淡化（6.9%），和光热催化（6.7%）等方面。本综述归纳了提升光热转换效率的各种策略，包括精选材料、纳米工程、表面改性技术和混合系统集成。我们也探讨了材料的系统分类，并强调了金属基光热材料与其他替代材料之间的性能差异。随着新型合成技术的不断进步，这些材料的应用潜力得到进一步发挥，尤其在光热催化、杀菌、治疗和海水淡化等领域。本文不仅总结了光热纳米材料领域的显著成就，还揭示了未来研究的关键方向，以解决成本效益和稳定性的挑战。
总结与展望
光热材料，这一神奇的物质，能够响应光引起的温度变化，未来的应用前景无限广阔，远超当前的常规用途。想象一下，在智能窗户、机器人、以及响应式纺织品中，光热材料能够作为动态元件，根据环境变化自主调节，这将彻底改变我们与环境的互动方式。
光热材料在太空探索中的应用尤其引人注目。它们能高效转化光能为热能，帮助空间站和卫星在极端温度中维持稳定。这种材料的独特之处在于，无论是吸收太阳光产生热量还是散发多余热量，都能大幅提升太空能源系统的效率和适应性。
我们正处于纳米复合材料和有机-无机混合材料的创新浪潮之中。这些材料通过将不同的物理特性融合在一起，极大地提高了光吸收和热转换效率。此外，等离子纳米结构和相变材料的应用正在开启精确控温和高效能量存储的新可能。随着材料科学、纳米技术和化学工程领域的持续进步，这些创新不仅有望突破传统光热材料的局限，还将激发出一系列新型太阳能产品和解决方案，预示着我们迎来了更高效、更环保的未来技术。现在，我们需要加快技术标准的修订和统一，以迎合市场的快速发展。
光热材料的发展，不仅是科技的一次飞跃，更是对未来可能的一次大胆预测。让我们共同期待这一领域将带来的惊喜和变革！
原文信息
相关成果以“Recent progress on photothermal nanomaterials: Design, mechanism, and applications” 为题发表在Green Energy & Environment期刊，中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士研究生余潇为本文第一作者，张建研究员和谌春林研究员为共同通讯作者。
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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.09.002
撰稿：原文作者
编辑：GEE编辑部
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