微微螢火可否照亮夜間之城？

李士聞

數(shù)據(jù)顯示，全球19%的能源都被用于照明。熒光材料或許能幫我們住進(jìn)更加清涼、節(jié)能的城市。

1063年前后，意大利鞋匠、業(yè)余煉金術(shù)士文森佐·卡斯卡里奧洛在博洛尼亞附近的帕代諾山山坡上找到一些性質(zhì)極其致密的巖石。他試著熔煉這些石頭，但卻沒煉出他心心念念的金、銀或其他貴金屬。不過，石頭冷卻后，卡斯卡里奧洛發(fā)現(xiàn)了一個(gè)頗有意思的現(xiàn)象：如果先把這種巖石放到日光之下，再將其置于黑暗中，石頭就會熠熠發(fā)光。

這種巖石就是“博洛尼亞石”，是歷史上第一種人工制成的長余輝熒光物質(zhì)。隨后，類似材料開始涌現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于裝飾、應(yīng)急照明、道路標(biāo)記、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。

有朝一日，熒光材料或許能幫我們住進(jìn)更加清涼、節(jié)能的城市。新一代熒光材料可以吸收日光，并將其轉(zhuǎn)化為熒光以降低城市溫度。如果用熒光人行道、路標(biāo)甚至是熒光建筑取代原來的照明街燈，還可以節(jié)約能耗。部分歐洲城市已經(jīng)鋪上了熒光自行車道，還有學(xué)者正在研究如何將熒光顏料用于路標(biāo)之上。

“這樣更環(huán)保。”從美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室退休的環(huán)境物理學(xué)家保羅·博戴爾說，“如果相關(guān)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，我們就可以節(jié)約能源。所以，這項(xiàng)研究很有價(jià)值。”

博洛尼亞石是一種重晶石礦物，雖引得當(dāng)時(shí)的自然哲學(xué)家頗為著迷，但卻始終沒派上什么用場。直到20世紀(jì)90年代，化學(xué)家研究出了數(shù)種新型長余輝光致發(fā)光材料，比如受到光照后可發(fā)出數(shù)小時(shí)明亮熒光的鋁酸鍶。此類材料的熒光顏色多為藍(lán)或綠色，少數(shù)為黃、紅或橙色。

光致發(fā)光材料會吸收光子中的能量，再以可見光的形式將其釋放出來。磷光石會立刻發(fā)光，而長余輝材料則先將能量儲存起來，發(fā)光時(shí)間會拉長。

能持續(xù)發(fā)光數(shù)小時(shí)的材料為我們帶來了很多可能，“夜光城”就是其中之一，在這種城市里，發(fā)光的人行道延展開來，熒光熠熠的建筑四處林立。在全球范圍內(nèi)，19%的能源都被用于照明。而單看歐洲，有1.6%的電專門被用于街道照明。意大利佩魯賈大學(xué)建筑工程師安娜·皮塞羅和同事2021年發(fā)表在《材料研究年評》上的論文指出，照明領(lǐng)域有巨大的節(jié)能潛力。

但有一個(gè)問題，熒光亮度最高的材料無法支撐整夜的照明。研究方向?yàn)楣?jié)能建筑材料的皮塞羅表示，更好的材料能夠解決這個(gè)問題。同時(shí)，還可以結(jié)合使用熒光材料與電力照明，讓材料有足夠長的時(shí)間來儲能。

熒光涂料同樣可以用于室外照明。皮塞羅的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研發(fā)出了一種用于室外的涂料。2019年，她模擬了在火車站旁公共道路上刷熒光涂料的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂料整夜發(fā)亮的同時(shí)，周邊地區(qū)照明用電消耗下降了27%。

不過，熒光材料也引發(fā)了一些擔(dān)憂。有人擔(dān)心，一座徹夜發(fā)光的城市恐會加重光污染。皮塞羅卻覺得，這有點(diǎn)兒杞人憂天了。熒光材料只會替換現(xiàn)有照明，并不會增添新光源。另外，人們還可以選擇不同的光，以此規(guī)避嚴(yán)重危害野生動物的藍(lán)光。

熒光材料還能緩解城市熱島效應(yīng)。一般來說，房頂和人行道會吸收陽光，并將其轉(zhuǎn)化為熱量排放出來，因此，夏季的城市溫度要比郊區(qū)平均高出7.7攝氏度。高溫會給人帶來潛在的健康危險(xiǎn)，還會消耗更多能源來讓建筑內(nèi)部保持清涼。

為了解決這種熱島效應(yīng)，運(yùn)用白漆、淺色瀝青等“降溫”材料來反射日光的措施越來越常見。而加上一些熒光材料，可以讓“防暑降溫”的效果更上一層樓。

在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室，博戴爾和同事針對合成紅寶石展開了實(shí)驗(yàn)，這種材料在日光的照射下會發(fā)出熒光，而利用這種特性，紅寶石就可用來制作降溫用的有色涂層。在早期的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在日光下，與涂有含紅寶石漆層的物體相比，同色無漆層物體的表面溫度更高。

皮塞羅的實(shí)驗(yàn)室則更進(jìn)一步。團(tuán)隊(duì)向水泥中加入了數(shù)種長余輝材料，使其能夠吸收光能，再緩慢將光釋放出來。晴好天氣下，與對照組相比，加有熒光材料的物體最多能讓周圍氣溫降低3.3攝氏度。

亞利桑那州立大學(xué)機(jī)械工程師帕特里克·費(fèi)倫說：“誠然，你可以讓物體表面盡可能地反射光線，但我們能否再進(jìn)一步呢？使用長余輝材料或許就是問題的答案。我們可以用另一種方式將能量轉(zhuǎn)移出去。這還挺有意思的。”費(fèi)倫曾在《環(huán)境與資源評論年刊》上與人合作發(fā)表了一篇有關(guān)城市熱島效應(yīng)的論文。

現(xiàn)今，熒光材料約有250種，而人們并沒有對其中大部分材料展開實(shí)際應(yīng)用研究。皮塞羅說：“短時(shí)間內(nèi)，改進(jìn)我們現(xiàn)有的材料是最好，也是最簡單的方法。”經(jīng)過微調(diào)后的材料，發(fā)光時(shí)間更長、亮度更高，光色也可發(fā)生變化，能夠真正被應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中。

皮塞羅補(bǔ)充說：“從長久看，這些精心研發(fā)的新材料，表現(xiàn)甚至?xí)谩！绷孔狱c(diǎn)陣就是一個(gè)例子，這種可以用來發(fā)光的半導(dǎo)體粒子體積極小，已被應(yīng)用在生物影像領(lǐng)域；還有已被用于太陽能電池的鈣鈦礦，人們正針對這種材料的光學(xué)特性展開深入研究。

編輯：馬果娜