2009年10月，東南大學的兩位科學家崔鐵軍和程強，利用曾被用來實現“隱身斗篷”的超材料製造了人類歷史上第一個“光學黑洞”—“微波赫洞”。
基本介紹
- 中文名：微波赫洞
- 時間：2009年10月
- 地點：東南大學
- 對應：光學黑洞
簡介,結構,太陽能利用的新思路,
簡介
微波是一種波長在幾毫米到幾分米之間的電磁波。經過數值模擬計算和實驗分析，這個“微波赫洞”能夠將絕大部分入射的微波吸入其中，微波的頻率越高，被吸入的比例就越大。
結構
“微波赫洞”的結構主要分為兩部分，一個是由40層“工”型結構（I-shaped structure）所組成的同心圓外殼，半徑為108到36毫米；一個是由20層ELC（electric-field-coupled）共振器所組成的同心圓核心，半徑從36毫米起依次遞減。“微波赫洞”上下共三層，總高度僅5.4毫米，裝在一塊0.8毫米厚刻有60圈凹槽的聚苯乙烯泡沫底座上。
“工”型結構的外殼是一種超材料，它每一個單元的形狀像漢字的“工”字。當其幾何尺寸從0.2毫米到1.4毫米逐漸增加時，“工”型結構表現出來的介電常數也隨之增大了十幾倍。因此，為了讓外殼的介電常數滿足平方反比定律，每一層“工”型結構的尺寸，也必須隨著半徑的不同而進行精確的調整。同時“微波赫洞”的層數也非常有講究。由於“工”型結構的介電常數是逐層變化的，因此每一層不能太厚，要求大約在微波波長的十分之一左右。這樣的同心圓外殼介電常數的平方反比變化才顯得平滑，微波才會乖乖的鑽入“微波赫洞”之內。而對於波長在萬分之一毫米量級的可見光來說，這樣的變化遠遠不夠精細。這個用於囚禁微波的牢籠，在個頭矮小的可見光看來過於龐大，因此我們用普通相機拍到的“微波赫洞”並不是漆黑的一團。如果要製造用以吸收可見光和紅外線的“光學黑洞”，就必須將器件的尺寸控制在萬分之一毫米以下。這個尺寸略高於“納米材料”的量級，同目前計算機中央處理器上的電子元件尺寸較為接近。因此，儘管“光學黑洞”給超材料的製備上提出了一些技術難題，但在實驗室中實現也並非不可能。
太陽能利用的新思路
“工”型結構的外殼將微波折射入核心後，最終由20層ELC共振裝置吸收，並轉化為熱能。如果相同思路的“光學黑洞”能夠研製成功的話，有可能為太陽能產業帶來新的思路。首先，市場上太陽能電池的平均效率只有10%-15%左右，也就是說照射在電池上的太陽光的能量只有十分之一左右能夠被轉化為電能，而其它大部分能量都變成了無用的熱能。解決這個問題可以通過技術革新提高發電效率；同時也可以利用“光學黑洞”，讓更多的陽光射向太陽能電池，增加它同太陽光的有效接觸面積。其次，太陽能電池由於長期暴露在戶外，經常面臨各種嚴酷的環境，容易脫落、被腐蝕、被氧化造成電池失效。因此其平均使用壽命並不長。生產廠家給出的估計是20年左右，據業內人士預計，實際使用壽命的數字可能更加保守。如果能夠將現在圓盤式的“黑洞”加以改進，研製出能夠適應多種光照條件和氣候條件的“光學黑洞”外殼，就可以把太陽能電池的發電部分從室外搬到室內，從而大大提高其使用壽命，增加其經濟價值。同時，發電裝置的集中，意味著產生的無用熱能也更加集中，人類將太陽能轉化為電能的同時，也可以更有效地利用剩餘的熱能。
