在纳米尺度上进行工作使研究人员能够利用不寻常的物理行为和材料性质，这些都可以作为更强大和高效的技术及系统的基础。但是，在这个尺度上研究和操控材料面临许多挑战。例如，纳米材料可能极其脆弱，通常需要专门的方法将其加工和集成到设备中。这三位在全球研究机构从事纳米科学与纳米技术研究的研究人员，正在探索这些障碍及更多，旨在将纳米材料应用于推动能源技术、成像工具和电子系统的发展。 PRISCILA VENSAUS: 金色触感 图片版权: Paddy Mills 通过改善清洁能源生产来使用纳米材料仍然是一个相对较新的研究领域，但Priscila Vensaus看到了巨大的潜力。她说，金纳米颗粒例如，可以将太阳能电池板技术提升到一个新的水平，这要归功于在如此小的尺度上出现的独特特性。当金子被分解成极小的颗粒时，或者由基于金的化学盐构成时，它的行为与大块金不同。它不再是一个不反应的黄色金属，反射光线，而是变成了一种高度反应的材料，能够吸收光线。之所以出现这种变化，是因为在纳米尺度上，金颗粒中的电子会集体振荡以响应光线，导致颗粒根据其大小和形状吸收和散射特定波长的光线。 Vensaus在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的能源技术纳米科学实验室研究在清洁能源技术中使用金纳米颗粒。她表示，嵌入数千个金纳米颗粒的太阳能电池板“能够吸收其他材料无法吸收的太阳光谱部分”。通过充当捕获和重新定向光线的微观天线，纳米颗粒可以增强整体光吸收，潜在地提高系统的效率，即使在较弱阳光下，电池板也能产生更多电力。 Vensaus还在研究纳米材料如何减少电解所需的电力——即分解水为氢和氧的过程，这是氢燃料电池生产的基础——使其能够依靠可再生能源而不是化石燃料进行运行。今年早些时候，Vensaus的团队在一篇论文中展示，在电解系统中添加加载了镍纳米颗粒的多孔结构到水中，可以增加反应的可用表面积，使其在更低电压下更加高效地运行。自从她在阿根廷布宜诺斯艾利斯的圣马丁国立大学攻读博士学位以来，Vensaus一直在这个领域工作。电解过程中，使用与电源连接的电极将水分解成其组成部分，气泡形成并附着在电极上，阻碍电流并浪费能量。Vensaus证明，当在电极与电源之间的特定距离处添加磁铁时，它们可以推开气泡并加快过程。 Vensaus现在正在研究手性材料如何提高太阳能驱动电解氢生产的效率。这些材料具有扭曲或螺旋结构，可以在反应过程中影响电子的自旋，从而提高电荷转移的效率，减少能量损失。“这是一个有前途的领域，但我们首先需要更多地了解这些结构，”她说。Vensaus表示，最终目标是创建一个低碳能源循环，其中氢气依靠可再生能源生产，然后用于燃料电池通过零排放的电化学反应来发电。“我们仍然面临一些需要解决的挑战，但该领域还有许多可能性可进一步发展，以完全去除化石燃料的过程。” —— 安娜·纳波利塔诺 FARNAZ NIROUI: 力场 图片版权: Paddy Mills Farnaz Niroui在一次关于太空电梯的高中物理项目中对纳米技术产生了兴趣——这一概念已有数十年历史，机器人攀爬器沿着从地球向轨道延伸的缆绳将货物送入太空。随着碳纳米管的发现，这一想法在1990年代获得了关注，碳纳米管是一种超强、轻量的材料，原则上可使这样的结构成为可能。虽然太空电梯依然在很大程度上是猜想，但这个概念激发了Niroui对在“比头发的厚度小五个数量级”尺度工作材料创意可能性的好奇心。现为麻省理工学院（MIT）的一名纳米工程师，Niroui及其团队研究纳米尺度最小端的材料，其结构以原子为单位进行测量。“我们的关注点在于推动车载技术的界限，使其能够应对日益复杂的挑战。”