“90后”导师马良（左）与“90后”硕士研究生刘洋。受访者供图

■本报记者 李思辉 实习生 郝丽

如果把阳光比作跃动的金币，光热水电联产技术便是一场有趣的“炼金游戏”，而赢得游戏的关键是如何发掘出高效光热转换材料。

武汉工程大学副教授马良团队为这场“炼金游戏”提供了新的“玩法”。这位“90后”导师带领的“90后”研究生团队，围绕等离激元与拓扑表面态的相互作用，构建了具有宽光谱吸收的光热材料，并设计出一种高效光热水电联产装置，显著提高了水蒸发和光热电转换效率。相关研究近日在线发表于《科学进展》。

用一张“网”捕获阳光

光热水蒸发是解决水资源短缺问题的一项绿色可持续技术。然而，在自然蒸发条件下，水对太阳光的吸收极小，太阳光利用效率低下，蒸发速率受限。

光热转换材料被应用于太阳能水蒸发中以提高效率。等离激元材料在光热转换应用中展现了巨大潜力。因此，探索一种具有宽光谱吸收的等离激元材料是高效产生水蒸气的关键。

论文第一作者、武汉工程大学硕士研究生刘洋介绍，这项研究的核心突破在于将拓扑绝缘体-等离激元异质材料编织成一张“光热陷阱网”。

拓扑绝缘体因独特的拓扑表面态，能够实现光能的高效捕获和表面电子的低损耗传输，而等离激元材料则通过等离激元共振效应，实现对特定频率的光的高效吸收。二者协同作用，能够显著提高材料对太阳光的吸收效率。

团队设计出拓扑绝缘体-等离激元异质材料，并将材料附着在水凝胶网络中，以魔法般的效率将海水蒸腾为清流。

一边净水 一边发电

刘洋介绍，团队设计的基于拓扑绝缘体-等离激元异质结的水蒸发装置，利用液压原理可以实现自动进水和出水；同时引入了聚光镜，能够显著提高光热水蒸发效率。

据介绍，该装置对工业废水中的重金属离子去除效果显著，处理后的水质远高于欧盟、世界卫生组织的饮用水标准。对于海水淡化，这一技术同样表现出色。通过光热蒸发，海水中的钠、钾、钙、镁等离子浓度大幅降低，可直接用于农业灌溉或生活用水。

更巧妙的是，团队将蒸发装置的余热与温差发电模块结合，实现“水电联产”——每小时可收集5.94 kg/m2的洁净水，同时可实现3.259 W/m2的功率输出，“一热两用”。

在这项研究中，拓扑绝缘体-等离激元异质材料的潜力远不止海水淡化。

“光热材料就像一把万能钥匙。”刘洋解释说，“未来，它有望通过热效应靶向杀死癌细胞，应用于癌症治疗，也有望用于光催化产氢，推动清洁能源发展。”

然而，目前技术产业化仍面临两大挑战。“材料长期稳定性和成本控制是关键。”刘洋坦言，“如果材料长期使用后性能衰减、材料或装置价格过高，技术就难以推广。”

为此，该团队下一步将聚焦新的光热物理机制，开发高性价比复合材料，并探索此类材料在光热驱动清洁能源转换中的应用。

和“90后”导师的默契

科研的突破往往始于“失败”的馈赠，但发现“失败”的价值，需要一双慧眼。

2023年初春，刘洋在研究初期的一次扫描电子显微镜观测中，意外捕捉到一条长达6微米的“硒线”。在诸多材料中，这个本应被视作“杂质”的异常结构，却成了研究的重要转折。

“当时我们以为实验失败了，但导师的一句‘杂质可能有更好的用途’点醒了我们。”刘洋回忆说。他通过离心技术分离出这条“硒线”，发现其与拓扑绝缘体结合后，展现出独特的光谱响应和光热特性。

然而，材料合成初期，因硒元素残留问题研究一度陷入僵局。最终，在马良的指导下，刘洋从文献中借鉴“熔点差异”，通过高温处理成功去除杂质，制备出高纯度复合光热材料。

马良的细致指导贯穿每个细节。在论文撰写阶段，刘洋的初稿被马良反复修改了大半年。刘洋告诉《中国科学报》：“去年12月，马老师参加学术会议时，随身带着我的论文打印稿，利用会议间隙做批注。”

这项研究的背后，是一个由“90后”导师领衔的年轻团队。马良不仅是课题带头人，还是团队建设的“游戏策划师”。业余时间，他常组织学生一起打羽毛球，爬山，玩剧本杀、狼人杀，用“游戏积分”给学生兑换奖励。

“亦师亦友的氛围，的确让实验室多了许多热血与温情，让我们和老师配合得更加默契。”刘洋说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adt2884