太阳能电池与纳米技术在魔鬼物理学2中的应用

正如我在本书的引言中提到的那样，通俗科幻故事的作者们曾经预测，未来人类将会进入一个能源生产与储备的新纪元。而事实上，由于量子力学的出现，我们所经历的大多是信息技术领域的深刻变革。

为什么在喷气飞行背包和飞行汽车问世之前，需要一种新型的能量传送系统？强调一点，我们不会像发现“卡沃尔物质”，或者其他一些具有反重力性质的神奇物质那样，违反任何物理学定律。因此，喷气飞行背包必须提供一个与人体重量相等的向下推力，以便让人离开地面。想象一下，将一个81千克重的人抬升至100米的空中需要多少能量。仅是做到这一点，并且未将喷气飞行背包从一处飞至另一处所需的任何能量考虑在内，就需要消耗80000多焦耳的能量，相当于0.5×1024电子伏特。

你应该还记得，在几乎所有化学反应的过程中，都会发生电子伏特数量级的能量转移。因此，将一个人抬升到20层高的建筑物上，大约需要1024个分子的燃料。但实际的能源消耗并不像看起来的那么多，因为体积为20立方厘米的任何固体几乎都含有这一数量级的原子（1立方厘米大约相当于一块方糖的大小）。每加仑[1]燃料约为4000立方厘米，能够产生超过1026电子伏特的能量。如果真是这样，我们为什么还要开车去上班呢？

问题在于，有起必有落。一旦喷气飞行背包停止供应用以维持我们被抬离地面后的巨大势能的能量，我们就会跌落地面。因此，在空中的每一秒，都需要持续消耗喷气飞行背包中储存的化学能量。燃料耗尽的速率取决于我们获得向上推力的具体原理，大多数供能装置只能使我们的飞行持续一两分钟。我们的确可以驾驶喷气飞行背包去上班，前提是我们的住所与办公室之间仅隔几个街区。

注意，能耗最大的部分就是克服万有引力，将我们抬升到空中需要消耗80000多焦耳的能量。相比之下，以每小时64千米的速度飞行，只需要13000焦耳的动能（忽略为了克服空气阻力必须做的功）。这就是我们尚未拥有飞行汽车的原因。如果你所携带的绝大部分燃料都被用于将你抬离地面，而能将你带往目的地的燃料所剩无几（在某种程度上，这已经违背了我们使用汽车的初衷，不管它能不能飞），那么你的燃油里程将根本不存在。

燃料的能量含量已经有所改进，喷气飞行背包的原型机能使参与测试的飞行员在空中悬停一分钟以上，但归根结底，飞行时间越长，需要的燃料就越多（喷气飞行背包也越重）。当然，还有其他方法可以替代化学燃料反应以获取推力。我们可以使用核反应堆，正如我们在第三部分看到的那样，核反应堆中每个原子产生的能量约为化学燃烧反应的100万倍，但是让你身后背着一座核电站的想法并不令人神往（除非你是超能敢死队队员）。

在2008年的电影《钢铁侠》（Iron Man）中，托尼·史塔克设计了一身包含大量高科技装置的盔甲，这些装置几乎都是基于物理学上可行的方式设计的，只有一个例外——“心脏反应堆”。它为史塔克的高科技战衣提供动力，它的外观为一个冰球大小的圆柱体，它能够产生“3000兆瓦的动力”，足以使一个喷气飞行背包悬浮在空中并飞行数个小时。但遗憾的是，我们无法制造出这种紧凑、轻盈、含能量高的电池

如果真的发生了通俗科幻杂志所预测的能源革命，我们能驾驶由某种外来能源驱动的喷气飞行背包去上班，或者去街角的杂货店购物，那么我们对传统化石燃料的需求将会显著减少，地缘政治关系也将发生戏剧性变化。潜在的喷气飞行背包技术有一个重要用处，它不关乎交通运输，而关乎“止渴”，能带来立竿见影的有益效果。

根据世界卫生组织的统计，截至2009年，全球40％的人口缺少可饮用的淡水。将海水转化成淡水的最直接方法就是使海水沸腾，将液态水转化为气态，而将水中的盐分留在残余物中。这正是海洋蒸发过程中发生的情况，也是雨水不含盐的原因。使用太阳能电池来提供使大量海水沸腾所需的巨大能量并非易事，但如果有一台能够使喷气飞行背包畅行无忧的供能装置，超过20亿人的生活将发生深刻的改变，即使每个人仍然要借助地面交通工具出行。

量子力学能否为能量生产提供助力，使20世纪30年代的喷气飞行背包梦想变成现实？这是有可能的。2005年，全球的能源消耗量约为16万亿瓦特，未来这一数值肯定会继续增长。不少专家预测，未来20年内，能源需求量将增长50％。一个可以满足这一额外需求的策略是，在未来的20年中，以每天一座的速度建造能够提供10亿瓦特能量的新发电站。这似乎不太可能。

另一个策略是，利用在很大程度上为世界各国所忽视的巨大能量——太阳能。地球表面接收了1017瓦特的能量，是全球能源消耗量的6000多倍，足以满足未来数十年的全球能量需求。根据第16章的论述，简单的二极管可以起到太阳能电池的作用，这种二极管由一种加入了能提供多余电子的杂质的半导体，和一种加入了能提供多余空穴的杂质的半导体结合而成。当二极管吸收一个光子时，一个电子就会跃迁至较高能带，在充满电子的较低能带留下一个可以移动的空穴。这些载流子受到来自PN结处强大内电场的作用，仅用太阳光照射，就可以向装置外输出电流。提高这些装置的光电转化率的工作正在进行，为了最大限度地增加一定强度的太阳光照射所产生的电流。然而，即便现有太阳能电池的光电转化率只有10％（也就是说，照射在太阳能电池表面的90％的能量，都无法转化为电能），只需一个长和宽各为160千米的太阳能电池组，就能满足全美的电力需求

问题是，我们手中并没有足够的太阳能电池来覆盖2.58万平方千米的电网，而且按照当前的产能，建造这些装置需要花很多年的时间。此外，即使有足够的太阳能电池，我们还需要将电能从光照充足的区域输送至人口稠密而光线暗淡的大城市。在这里，量子力学可以再次发挥作用。

在第13章中我们看到，在低温条件下，当某些金属中的电子由于晶格中阳离子的极化作用而形成电子对时，这些金属会变成超导体。电子的内禀角动量值为/2，符合费米—狄拉克统计原则，即没有两个电子可以处于相同的量子态。当金属中的电子在低温条件下结成电子对时，它们就形成了总内禀角动量值为零的复合载流子。这些成对的电子符合玻色—爱因斯坦统计原则，而且随着温度的降低，它们会凝聚成一个较低能量态。如果固体的温度足够低，中等强度的电流将没有足够的能量使电子离开这个最低能量态，因此这些固体可以在没有电阻的情况下负载电流。超导电性这一现象从本质上讲是一种量子力学效应，而且只有在低于零下248摄氏度的极端低温条件下，才能在金属中观测到。

至少在1986年之前是这样的。因为在1986年，来自瑞士苏黎世1BM（美国国际商用机器公司）研究实验室的两位科学家约翰内斯·柏诺兹与卡尔·米勒发表了研究报告，宣称在零下237摄氏度时，一种陶瓷变成了超导体。这一温度仍然很低，但在当时它创下了能够观察到超导电性的最高温度纪录。自从科学界了解到这类包含铜、氧和稀土金属的材料可以表现出超导电性，一场竞争就此展开：世界各地的科学实验室尝试着将大量元素进行多种多样的组合。一年后，一群来自休斯敦大学和亚拉巴马大学的科学家发现了一种包含钇、钡、铜和氧的复合物，这种复合物在零下182摄氏度时就会完全变成超导体。许多皮肤病诊室中用来治疗疣的液氮，温度更低一些，为零下194摄氏度。这些材料被称为“高温超导体”，使用在许多免预约诊所中就能找到的制冷剂，就可以将它们转变成零电阻的状态。这些材料为什么能够在相对“温暖舒适”的温度下变为超导体，目前尚无明确解释，相关研究仍然是固体物理学领域的一个令人兴奋的分支。用来解释这一效应的最有前途的模型援引了新的机理，研究者们用量子力学的方法推导出这些固体中的电子的凝聚态。

高温超导体将成为向需要电能的人口稠密地区，远程输送由太阳能电池组或风力发电机组产出电能的理想材料。尽管需要保持低温状态，液氮却很容易生产，为了满足实验需要而购买的液氮比牛奶的价格还便宜（当然也比瓶装水便宜）。遗憾的是，到目前为止，一些具有挑战性的材料科学问题限制了这些陶瓷材料能够负载的电流量，如果将它们用于输电线路，它们将不再是超导体，而且有比普通金属更高的电阻。

如果这些问题得以解决，那么除了传输电力，这些发明同样有助于交通运输领域的变革。如同我们在第13章中讨论的，除了可以在无电阻状态下传输电流，超导体也是完美的抗磁性物质，完全排斥任何外部磁场。这种材料会产生屏蔽电流来抵消试图穿透超导体的外部磁场，而且，因为超导体中的电流不受电阻影响，所以屏蔽电流能够持续流动。如果能够制造出足以负载对抗较大磁场的高强度电流的高温超导体，高速磁悬浮列车就有可能成为现实，其成本主要来自相对便宜并安全的液氮冷却剂等。

在发表了陶瓷的高温超导电性这一发现的一年之后，柏诺兹和米勒获得了诺贝尔物理学奖。然而，20多年后，火车仍然没有悬浮行驶在由新型铜氧化物制成的铁轨上。与巨磁电阻效应和固态晶体管不同（这二者都只用了不到10年的时间便从实验室走入了现实世界，相比之下，由高温超导体所带来的巨大改变，尚未真正实现。尽管如此，关于这些材料的研究仍在进行，也许在未来的某一天，无论是空中架设的输电线，还是地面铺就的铁轨，都会用到高温超导体。

在不久的将来，基于量子力学的装置可以利用的另一种尚未开发的能源是废弃物。在这里，我指的不是垃圾，而是废热——任何燃烧过程产生的副产品。

为什么汽车引擎盖下会产生废热？因为热和功都是能量的表现形式。在物理学上，功涉及施加在物体上的力以及物体在力的方向上通过的距离。比如在汽车引擎中，快速移动的气体分子撞击活塞，由此产生的力可以将活塞抬起。物理学上的热，指的是原子平均能量不同的两个系统之间的能量传递。让一个原子振动剧烈的固体与另一个原子振动缓慢的固体互相接触，原子间的碰撞和相互作用使得振动剧烈的原子慢下来，而振动缓慢的原子快起来。我们可以说，第一个固体的初始温度较高，而第二个固体的初始温度较低；通过碰撞，它们交换了热量，直到最终达到同一温度。我们可以对某一体系做功，并将所有的功转化成热。但是，热力学第二定律告诉我们，我们永远也不可能将一定量的热完全转化为功。(www.chuimin.cn)

为什么？因为原子碰撞具有随机性。考虑一下汽车活塞内部的分子，在点火火花和压缩冲程导致汽油和氧气分子发生燃烧反应之前，它们向着各个方向快速移动并相互碰撞，还与气缸的内壁、顶部和底部发生碰撞，气缸的所有内表面受到的压力都是一样的。随着燃烧反应的开始，汽油和氧气的混合物经历了一个爆炸式的化学反应，产生其他种类的化学物质并释放热量；也就是说，反应产物比爆炸前的反应物具有更大的动能。气体分子与活塞发生碰撞时，这一更大的动能形成了对活塞顶部更大的推力，使活塞上升，并通过由轴和齿轮组成的精巧系统，将这种上升力转变为施加在轮胎上的旋转力。然而，在化学物质发生爆炸后，尽管只有施加在活塞上的作用力转化为有用功，但气缸的所有内表面都受到了更大的压力。气体分子会使气缸壁和活塞升温，从利用汽油驱动汽车的角度看，这些热都被“浪费”了。

当热量被转化为功，由热力学第二定律可以确定废热的量。对汽车而言，即使在最好的情况下，也仅有1/3的化学能可以转化成驱动汽车的能量，而且很少有汽车引擎能够达到这样的效率。引擎盖下面有许多能量未被有效地利用。类似地，发电站的冷却塔将大量的热释放到大气中。据估计，每年有超过一万亿瓦特的能量因为没有被转化为功，而以废热的形式被浪费掉。在未来，利用被称为“热电材料”的固态装置，这种情况或将发生改变。这些体系能将温差转变为电压，可被看作将光转化成电压的太阳能电池（也被称为“光伏”装置）的“废热”版本。

热电材料的物理学原理与不含水银的固态温度计相同。请思考让两种不同的金属互相接触的情形，我们讨论过，金属可被视为只有1/2的可用座位被占据的礼堂，因此，如果金属中的电子从光、外电压或热量中吸收能量，就会有许多的空穴可供电子占据。不同的金属中有不同数量的电子位于部分座位被占据的较低能带。请想象两个礼堂，每个礼堂中就座的人数不一样，就像某些酒店的宴会厅一样，它们被一个可移动的墙壁隔开。其中一个礼堂内有200人，而另一个礼堂内只有100人。现在，移开墙壁，将它们合并为一个大礼堂。每个人都想坐在前排座位，因此会有50个人从第一个礼堂移至另一个礼堂的空座位，直到每个礼堂都有150人就座。但在墙壁被移开前，两块金属都是电中性的。在小礼堂中增加50个电子会使净电荷为负，而从大礼堂中移走50个电子会产生净正电荷。因此，只要两块金属进行电接触，在它们交界处就会产生电压。如果两边成排座椅的排布方式差异显著，随着温度升高，每一边的电子数都将改变，从而产生随温度而变化的电压。这样一来，知道了与两种金属交界处测得的电压值相对应的温度，就可以利用这个被称为“热电偶”的简单器件测量环境温度。

热电元件使用名义上的匀质材料（通常是某种半导体）获得和热电偶相似的效果。如果固体的一端比另一端热，那么与温度较低的一端相比，温度较高的一端将会有更多的电子从完全被填充的较低能带跃迁至基本空置的较高能带。对于一些材料而言，几乎被填满的能量较低的乐池中的空穴的移动速度，要比能量较高的包厢中的电子的移动速度慢得多，因此我们可以将注意力集中在电子上。在材料较热一端受激跃迁的电子会扩散到较冷的一端，堆积于此并产生电压，以阻止其余电子穿过半导体，这一电压可以像电池一样被用于驱动任何设备。为了制作高效的热电装置，人们需要这样一种材料，它是电的良导体（使电子可以轻而易举地穿过固体），但同时又是热的不良导体（使温差贯穿整个固体）。许多实验室正在研发适用于热电装置的材料。举例来说，具有商业可行性的热电器件可以应用于混合动力汽车，吸收引擎产生的废热，将废热转化成电压给电池充电。在未来世界中，通过我们对量子力学的理解，固态热电设备将被发明出来，尽管它们无法使汽车飞行，但却可以让汽车行驶得更远。

从原子的随机振动中获取电能的另一种方式是利用“纳米发动机”。这些发动机由直径仅为几纳米的特殊电线组成，电线的成分是氧化锌或被称为“压电材料”的其他物质。对这些物质而言，机械应力会使晶体结构发生微小变化，并产生一个小电压。由这些压电材料制成的纳米线的排布已经取得了进展，任何移动或振动都会导致纳米线的收缩和弯曲，进而产生为另一个纳米机器或纳米器件提供能量的电压。

最终，我们会问，量子力学能否帮助我们研制出驱动个人喷气飞行背包的小型、轻量化电池？答案可能取决于发展中的“纳米技术”。“纳”（nano）源于希腊语，有“矮小”之意，1纳米是10亿分之一米，大约相当于三个原子直径的长度。我们先看看普通电池是如何工作的，再讨论为什么纳米工程或将促使更强大的能量存储装置的诞生。

在汽车引擎中，来自火花塞的电能会引发汽油和氧气的燃烧化学反应。电池则是利用化学反应来产生电压。

在电解反应中，电流流经反应物（通常是液态形式）并提供能量，引发化学反应。比如，产生氢气的一种方法（不涉及化石燃料的燃烧）是分解水分子。为了达到目的，我们将两个电极插入一杯水，并将电极与外电源相连接，使电流通过液体。一个电极试图把电子从水中拉出来（纯水是很好的绝缘体），另一个电极则试图将电子推进水中。输入的电能克服了使水分子中的原子聚集在一起的结合能，带正电荷的氢离子（H+）被试图释放电子的电极吸引，而带负电荷的氢氧根（OH-）则向试图接收电子的电极移动。最终结果是，水分子被分解成气态氢和氧分子。

电池实际上利用了电解反应的逆过程，不同的金属被用作电极（比如镍和镉）。之所以选择它们，是因为它们可以和特定的液体发生化学反应，留下带正电或带负电的反应物。在金属电极接触化学液体的地方，金属电极会失去或者得到电荷，这取决于所进行的化学反应。两个电极之间会设置一处屏障，使液体无法从一个电极移动到另一个电极。于是，负电荷（电子）在一个电极上堆积起来，而另一个电极上缺失的电子越来越多。

一个电极上的过量电子间相互排斥，存在离开电极的趋势。这些电子可移至带正电荷的电极的唯一方法，就是用一根电线连接电池的两端。这样一来，存储的电荷就能流过电路并为设备的运行提供能量。在碱性电池中，一旦液体中的化学反应物消耗殆尽，装置就失去了为电极充电的能力。当电池放电时，电流流出，“金属—液体”化学反应向着一个进行；而从相反方向将电流输入电池时，电池将恢复到它的初始状态。这种电池被称为“充电电池”，近年来，这种电池在能量储存能力的提升方面表现得最突出。

由于电子消费品对外部电源的需求，充电电池的能量含量和存储容量都有了很大的提升。在电池中，电极应该能较容易地释放或接收电子。仔细观察元素周期表我们就会发现，在电子结构上类似于钠原子和氢原子的锂原子，有一个未配对电子［如图12-3（c）所示］且很容易逸出，从而留下带正电的锂离子。利用这些锂离子的电池，含有一个锂钻氧化物电极，另一个电极则通常由碳组成，锂电池可以产生约为碱性电池两倍的开路电压。锂电池比那些将重金属用作电极的电池要轻便，而且一个重量为226克的锂电池能够产生超过10万焦耳的能量，相比之下，一个重量相当的镍金属氢化物电池仅能产生5万焦耳的能量，而一个226克的铅酸电池仅能产生33000焦耳的能量。这些质量小、能量容量高、可充电的锂电池因此成为手机、苹果多媒体播放器和便携式笔记本电脑的理想能量来源。

电池中所有的电化学反应，在电解液中的化学物质与电极表面发生物理接触时就开始了，因此电极的表面积越大，可供进行化学反应的地方就越多。增加表面积的方法之一是使电极尺寸变大，但这与我们对电子设备的小型、轻量化需求相悖。增加电池容量的另一种方法是研制不同的电极。事实上，纳米结构的电极在原子尺度上存在褶皱，显著地增加了可用于电化学反应的表面积，而电极质量却不会增加。最近对由硅纳米线制成的电极的研究发现，它们可以存储10倍于碳电极的锂离子而不会明显增大。尽管无法与钢铁侠的心脏反应器相提并论，但在纳米尺度上研制和操控材料的能力，正在使电池具有科幻小说描述的特性。

在衣物清洁方面，纳米技术也可以为我们提供帮助。用纳米纤维制成的纺织品具有抗皱、防染色的性能。除了能给我们更纯洁的白色，纳米技术也能帮助我们保持身体健康。一个5纳米的晶体仅含有3300个原子，但这样的纳米颗粒是高度精确的药物传输系统的极佳平台，比如绕过正常细胞，直接对癌细胞使用化疗药物。

我们对纳米材料的利用才刚刚起步。在元素周期表中有92种稳定元素，它们的电子排布的具体细节决定了它们的物理学、光学和化学性质。晶体硅的最低能量态和最高能量态的能量差约为1电子伏特，要想获得具有不同能量差的半导体，就必须选择一种不同的化学元素。如果晶体硅中的能量差可以随意调节，而不与其他可能对材料的性能产生有害影响的化学物质形成合金，许多技术应用都将成为可能，或得到改善。近期的研究表明，我们确实能使硅变为“可调谐”半导体，只要我们能把它变小。

在礼堂类比中，充满电子的乐池与空的包厢之间的能量差是1电子伏特（光谱的红外光部分）、2电子伏特（红光）还是10电子伏特（紫外光），取决于构成固体的元素，以及每个原子与相邻原子的量子力学波函数重叠和相互作用的具体细节。在可直接用肉眼或光学显微镜观察的较大晶体中，离开固体一端的电子会受到许多散射和碰撞，因此，晶体边界对电子波函数产生的任何影响在电子到达另一端的时候都会消失。如果固体的尺寸在电子的物质波波长范围内，当电子位于小晶体中时，固体的尺寸对它们实际上是有影响的。装着这些电子的“盒子”（晶体）越小，它们在位置上的不确定性就越小，而它们在动量上的不确定性就越大。因此，我们可以通过控制固体的体积来确定纳米晶体的能量差，将固态元件的设计者们从“化学的专制”中解放出来。

20世纪二三十年代，由几位物理学家发现的掌控原子与光以及原子之间的相互作用的规律，不断塑造和改变着我们赖以生存的世界。

[1]1加仑≈3.79升。——编者注