科技名词|光热效应 photothermal effect

科技名词|光热效应 photothermal effect

光热效应是指材料在吸收光能后将其转化为热能的过程。这种效应广泛存在于物理、化学、生物及工程等领域，其核心机制是光子被材料吸收后，导致其内部能量态发生变化，从而释放热量。

图片来源：视觉中国

光热效应是指材料在吸收光能后将其转化为热能的过程。这种效应广泛存在于物理、化学、生物及工程等领域，其核心机制是光子被材料吸收后，导致其内部能量态发生变化，从而释放热量。这种热量的产生伴随着光与物质相互作用时的非辐射弛豫或散射过程。

光热效应的过程一般可以分为三个部分。首先是光子吸收。当光波照射到材料表面或内部时，材料中的原子、分子或电子吸收光子，跃迁到高能量态。其次是能量弛豫，吸收的能量通过非辐射的形式（如振动松弛或声子散射）释放，转化为热能。最后是热扩散，热能在材料中扩散，导致局部温度升高，进而引发一系列物理或化学变化。不同材料对光的吸收能力及转化能力会直接影响光热效应的表现。其中金属纳米颗粒、半导体材料以及一些有机分子由于在固定波长范围内有良好的光吸收能力，因此会具有显著的光热效应。

目前，光热效应的应用领域十分广泛，具体包括：

1.医疗领域。光热疗法利用特定材料（如金纳米棒或碳纳米管）在近红外光照射下产生的热量杀死肿瘤细胞。热效应对周围正常组织的损伤较小，因而具有较高的治疗精度。

2.能源领域。通过结合光热效应与催化反应的技术，用于促进化学反应（如水分解制氢或二氧化碳还原），提高能源利用效率。此外还有常见的太阳能热水器，通过吸收太阳光将水或其他液体加热，用于日常生活或工业过程。

3.纳米技术与材料科学领域。利用光热效应对纳米结构材料进行局部改性或雕刻，以实现高精度的功能化设计。此外，基于光热效应构筑的传感器可以用于检测温度、气体浓度等环境参数。

4.环境科学领域。利用光热效应分解或去除环境中的污染物，如通过光热催化降解有机污染物或杀灭水体中的病原体。基于光热效应的太阳能蒸馏技术可有效提升海水淡化的效率，为水资源匮乏地区提供可行的解决方案。

（延伸阅读作者：海南大学机电工程学院 周腾教授）