有朝一日，夜光材料會(huì)照亮我們的城市嗎？
作者｜Kurt Kleiner
翻譯｜趙金瑜
校譯｜于茗騫
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大約在1603年，意大利鞋匠兼業(yè)余煉金師文森佐·卡夏羅洛在博洛尼亞附近的帕德諾山的山坡上，發(fā)現(xiàn)了一些特別致密的石頭。他嘗試熔煉這些石頭，結(jié)果沒(méi)有像他所希望的那樣產(chǎn)生金、銀或其他貴金屬。但在石頭冷卻后，卡夏羅洛發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情：如果他將熔煉產(chǎn)物暴露在陽(yáng)光下，然后把它帶入黑暗的房間中，石頭會(huì)發(fā)光。
這種“博洛尼亞石”是第一種人工制備的持久性發(fā)光材料[1]。后來(lái)又有更多的發(fā)光材料出現(xiàn)，如今，持久性發(fā)光材料被用于裝飾、應(yīng)急照明、路面標(biāo)記和醫(yī)學(xué)成像。
也許有一天，我們能用這些材料建成更涼爽、耗電更少的發(fā)光城市。
新一代發(fā)光材料可以吸收原本可能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量的光，再重新散發(fā)出去，這樣就可能會(huì)為城市降溫。它們還可能減少能源的使用，因?yàn)榘l(fā)光的人行道、發(fā)光的路標(biāo)甚至發(fā)光的建筑物都可以取代一些街道照明。歐洲的一些城市已經(jīng)安裝了發(fā)光的自行車道，一些研究人員已經(jīng)開展了使用發(fā)光涂料作為道路標(biāo)識(shí)方面的研究[3]。
“這對(duì)環(huán)境更友好，”保羅·伯達(dá)爾說(shuō)，他是加州伯克利的勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境物理學(xué)家，現(xiàn)已退休?！叭绻夹g(shù)可以改進(jìn)，我們可以使用更少的能源......這是一件值得做的事情?！?/span>
博洛尼亞石是一種礦物重晶石，當(dāng)時(shí)的自然哲學(xué)家對(duì)它很著迷，但從來(lái)沒(méi)有什么大用途。但在20世紀(jì)90年代，化學(xué)家們開發(fā)出了新型的持久光致發(fā)光材料，例如鋁酸鍶，暴露在光照下后，可強(qiáng)烈發(fā)光數(shù)小時(shí)。這些新材料大多數(shù)會(huì)發(fā)出藍(lán)色或綠色的光芒，但也有一些會(huì)發(fā)出黃色、紅色或橙色的光芒。
這種光致發(fā)光材料的工作原理是“捕獲”光子的能量，然后以低波長(zhǎng)的形式重新發(fā)射能量。有些會(huì)瞬時(shí)發(fā)光，例如在熒光燈泡中。而另一種則被稱為持久性發(fā)光材料，它們儲(chǔ)存能量的時(shí)間更長(zhǎng)，發(fā)射速度更慢。
圖｜已發(fā)現(xiàn)的發(fā)光材料有250多種。上圖中按三種方式分類：(a) 作為發(fā)光中心的微量材料；(b) 主體化合物；(c) 材料發(fā)出的顏色。
這些可持續(xù)發(fā)出數(shù)小時(shí)強(qiáng)光的材料開啟了新的可能性，例如由發(fā)光的人行道和建筑物, 也許不久就會(huì)有“在黑暗中發(fā)光”的城市。建筑工程師安娜·勞拉·皮塞洛及其同事在2021年的《材料研究年鑒》[4]中寫道，由于照明占全球能源消耗總量的19%[5]，而在歐洲，街道照明約占1.6%[6]，因此（新材料的）節(jié)能潛力是巨大的。
這種方法的一個(gè)問(wèn)題是，大多數(shù)發(fā)光材料不會(huì)在整個(gè)夜晚都發(fā)光。佩魯賈大學(xué)研究節(jié)能建筑材料的皮塞洛說(shuō)，更好的材料可以幫助解決這個(gè)問(wèn)題。與此同時(shí)，現(xiàn)有的材料可以與電力照明相結(jié)合，可以先用電力照明為道路標(biāo)記充足電，然后再將其關(guān)掉。
發(fā)光涂料還可以用于室外照明。皮塞洛的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一種夜光涂料，并在2019年的一份報(bào)告中[7]，他們模擬了將這種涂料用在火車站附近的公共道路上，看看會(huì)發(fā)生什么?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在夜間發(fā)光，這種涂料可以將附近區(qū)域的照明所需的能量減少約27%。
皮塞洛表示，不用擔(dān)心整個(gè)城市因整夜地閃耀而增加了有害的光污染[8]。因?yàn)榘l(fā)光材料可能只會(huì)取代現(xiàn)有的照明，而不是在現(xiàn)有的照明基礎(chǔ)上增加。此外還可以選擇發(fā)光的顏色，以避免對(duì)野生動(dòng)物特別有害的藍(lán)色頻率。
發(fā)光材料還可以幫助對(duì)抗“城市熱島效應(yīng)”。屋頂和人行道從太陽(yáng)中吸收能量并將其作為熱量散發(fā)出來(lái)，導(dǎo)致城市夏季氣溫比周圍鄉(xiāng)村平均高出7.7℃。高溫是一種潛在的健康危害，也會(huì)導(dǎo)致更多的能源被消耗在室內(nèi)制冷上。
一種越來(lái)越普遍的解決方案是使用反射光線的“冷”材料，例如白色油漆和淺色瀝青。事實(shí)證明，添加發(fā)光材料可以起到更大的作用。
圖｜佩魯賈大學(xué)的安娜·勞拉·皮塞洛和她的同事們正在嘗試打造在黑暗中發(fā)光的實(shí)用路面。他們正在試驗(yàn)不同的發(fā)光物質(zhì)，并測(cè)試如何將它們添加到路面材料中以獲得最佳性能和耐用性。上圖是發(fā)光材料和嵌有發(fā)光材料的鋪路石板樣品。圖源：由安娜·勞拉·皮塞洛提供。
在勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室，伯達(dá)爾和他的團(tuán)隊(duì)用合成紅寶石（一種在陽(yáng)光下會(huì)發(fā)光的材料）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在制造能保持低溫的彩色涂層[9]。在早期的實(shí)驗(yàn)中，他們報(bào)告說(shuō)，與類似顏色的普通材料相比，添加了“紅寶石”材料的表面在陽(yáng)光下的溫度更低。
皮塞洛的實(shí)驗(yàn)室更進(jìn)一步，他們?cè)诨炷林刑砑恿藥追N持久發(fā)光的材料——能夠儲(chǔ)存光能并緩慢釋放的材料[10]。與相同顏色的不發(fā)光表面相比，其中最好的樣本在晴天時(shí)能將周圍氣溫降低多達(dá)3.3°C。
“你可以讓（表面）盡可能反光。但還能更進(jìn)一步嗎？這個(gè)想法是，也許你可以更進(jìn)一步，將持久性發(fā)光作為另一種把能量轉(zhuǎn)移出去的方式......這很有趣，“亞利桑那州立大學(xué)的機(jī)械工程師帕特里克·費(fèi)蘭說(shuō)道。他在《環(huán)境與資源年鑒》上與人合著了一篇關(guān)于城市熱島效應(yīng)的論文[11]。
目前已知的發(fā)光材料有250種，其中許多還沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究。皮塞洛說(shuō)，有可能找到能持續(xù)更長(zhǎng)的發(fā)光時(shí)間、更亮、擁有更多顏色的發(fā)光涂料和路面。
她說(shuō)：“在短期內(nèi)，最好、最簡(jiǎn)單的解決方案是改進(jìn)我們已有的東西。”這包括調(diào)整材料，使它們發(fā)出更長(zhǎng)時(shí)間、更強(qiáng)烈或不同顏色的光，并確保它們?nèi)阅茉谡鎸?shí)環(huán)境中有效。
她補(bǔ)充說(shuō)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，新型改造材料的效果會(huì)更好。例如，可以研究“量子點(diǎn)”——一種可以發(fā)光并且已經(jīng)用于生物成像的微型半導(dǎo)體顆?；蛘哜}鈦礦——用于太陽(yáng)能電池的材料，人們也正在研究其發(fā)光特性。
注：Kurt Kleiner是多倫多的自由科學(xué)記者。
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本文授權(quán)翻譯自Annual Reviews 旗下雜志 Knowable Magazine，點(diǎn)擊文末閱讀原文可訂閱其英文通訊。
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原文標(biāo)題“Will glow-in-the-dark materials someday light our cities?”，作者 Kurt Kleiner，發(fā)布于2021.11.11 Knowable Magazine。鏈接https://knowablemagazine.org/article/technology/2021/will-glow-in-the-dark-materials-someday-light-our-cities。
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