光学技术与能源的发展

光线和液体研究已经紧密交织在一起，自从莱昂•福柯（Léon Foucault）发现光的速度以来就是这样，1862年，他观察到，光传播的速度在水中比在空气中慢。这两种材料之间的物理和谐，现在被用来收集和驱动光，使它变得最有效果。10月一期的《自然•光子学》杂志重点讨论微流控光学（optofluidics），也就是结合光学研究微流体，微流体就是流体在的非常小的通道或管道中的微观传递。有一篇评论的作者是德米特里•帕萨提斯（Demetri Psaltis），他是洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院院长，他和评论的合著者认为，微流控光学准备迎接本世纪最重大的挑战之一：就是能源挑战。



结合纳米技术与光学，生物反应器可提高效率，这就打开了清洁能源生产的一扇新大门。

“通过引导光，并把光集中在某处，使它可以被最有效地利用，这样，我们可以大大提高现有能源生产系统的效率，现有的能源系统比如生物燃料反应器和太阳能电池等，我们也可以创造全新型的能源生产，” 帕萨提斯解释说，“洛桑联邦理工学院的微流控光学处于世界领先地位，我们的机构可以开发真正有效和颠覆性的能源。”

除了传统的太阳能电池板以外，阳光已用于各种能源生产。例如，它被用来把水和二氧化碳转换成甲烷，这是在大型工业生物燃料厂进行的。棱镜和反射镜通常用来引导和聚集阳光，在住宅和公寓楼顶上加热水。这些技术已经采用了微流控光学中发现的同一原理，也就是控制和操纵光线和液体传输的原理，但往往没有达到纳米和微技术所具有的精度，。

未来典范：微流控光学太阳能照明系统

如何才能更好地利用照射到建筑物外的光线呢？想象一下，太阳光被导入建筑物内。微流控光学太阳能照明系统，可以捕获屋顶的阳光，它使用的是一种聚光系统，可以改变水的折射角度，以跟踪太阳的路径，然后把阳光分配到整个建筑物，这要采用导光管或光缆，连接到办公场所的天花板，室内太阳能电池板，甚至微流体空气过滤器。利用太阳光驱动微流体空气过滤器，或供应室内太阳能电池板，这就可以防范一些因素，持续使用更长的时间，这是一种新颖的方式，可以利用太阳能来补充非可再生资源。

在这样一个系统中，必须偏离次级装置，如空气过滤液和太阳能电池板，以保持吸顶灯舒适的恒定光源，云掠过时引起的光源闪烁是不能容忍的。为了调节这些不同的通道，以保持恒定的光源，系统就要采用电润湿法（electrowetting），使光从一个通道偏离到另一个，便捷而且成本低廉。一个水滴位于光管的外表面。小电流激发水中的离子，将它们推向液滴的边缘，并扩大液滴，使它刚好能够触及另一个光管的表面。这种扩散的液滴随后会创建一个亮桥（light bridge），就在两个平行的光管之间，有效地调节通过任一光管的光流量。

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扩大规模进行工业应用

“微流控光学在能源领域面临的主要挑战，是保持纳米和微观的精确度，进行光和流体的操纵，创建工业尺寸的装置，要足够大，以满足人口的能源需求，”大卫•埃里克森（David Erickson）解释，他是康奈尔大学（Cornell University）教授，也是洛桑联邦理工学院客座教授。“就像超级计算机是由小元件组成一样，大规模微流控光学技术将遵循类似的模式，就是集成许多液体芯片，创建一个超级反应器。”

在液体通道中，大部分反应发生在液体和内衬催化剂管道之间的接触点，因此，系统效率取决于有多少表面积可供反应发生。把通道尺寸下降到微观和纳米尺度，就可以在相同的可用空间增加数千个通道，大大增加了整体表面积，极大地缩小了催化及其他化学反应所需的尺寸（和最终成本）。把光源作为催化剂，添加到纳米管中定向流动的单个分子上，就可实现精确控制和高效率。

在《自然•光子学》上，他们的评论提出了几种可能性，以大规模应用微流控光学，如使用光学纤维，把阳光传输到大型室内生物燃料反应器，这些反应器具有大规模生产的纳米管。他们指出，使用较小的空间，就可以提高功率密度，降低运营成本；微流控光学具有灵活性，可以集中和引导阳光，用于太阳能收集和太阳能光伏板；增加表面积，这一区域就可以减少使用表面催化剂，催化剂是许多反应器中最昂贵的因素。

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