Advanced Sustainable Systems:由金纳米星和纳米球组装而成的仿生超结构用于高效太阳光水蒸发

等离子体纳米颗粒和它们的组装由于独特的光学和光热性质已经引起极大的关注。特别是在光热水蒸发中,等离子体纳米颗粒可以作为局域的光热转换器。近五年来已报道的金纳米材料包括金纳米颗粒抽滤膜、物理气相沉积多孔结构等在一个太阳光强度的光热水蒸发效率都比较低。新型高效能等离子体纳米颗粒的三维复杂超结构材料亟需开发。

近期,上海交通大学顾佳俊教授与加拿大魁北克大学马东玲教授合作,以有聚光作用的巴黎翠凤蝶前翅为模板,用湿化学组装的方法,将金纳米球和纳米星在胶体溶液中组装成倒V型脊/无序纳米孔阵列结构。此纳米星组装体和纳米球组装体在一个太阳光强度下的水蒸发效率达83.3%和68.6%。相比于原始蝶翅仅在200-1000 nm波段有较强的吸收,这两种仿生超结构都展现了显著增加的近红外II 和III区吸收,也就是说,在200—2500 nm波长范围内都有很强的吸收。有限元模拟揭示此宽谱吸收取决于(1)连续组装的金纳米颗粒的局域表面等离子体模的杂化,(2)由光转移作用的倒V形肋/陷光作用的不规则纳米孔阵列组成的蝶翅光子晶体结构。研究表明,超结构的光学性质不仅可以通过控制三维结构调节,也可以通过改变纳米构筑单元的形状调节。此工作为纳米光子结构和器件的设计和组装提供了启发。

相关研究论文以“Biomimetic superstructures assembled from Au nanostars and nanospheres for efficient solar evaporation”为题发表在期刊Advanced Sustainable Systems (DOI: 10.1002/adsu.201900003)上。本文第一作者为上海交通大学宋国芬博士,通讯作者为上海交通大学顾佳俊教授和加拿大魁北克大学马东玲教授。