如果把阳光比作一簇簇跃动的金币，光热水电联产技术便是一场精密的“炼金游戏”，赢得游戏的关键是——如何发掘高效的光热转换材料？

武汉工程大学副教授马良团队为这场“炼金术”提供了新的解决方案。这个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置，显著提升了水蒸发和光热电转换效率。

相关研究3月12日在线发表于《科学进展》（Science Advances）。

90后导师马良（左）与90后硕士研究生刘洋（右）。

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用一张“网”捕获阳光

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

光热转换材料被开发应用到太阳能水蒸发中以提升其效率。等离激元材料在光热转换应用中展示了巨大的潜力。因此，探索一种具有宽光谱吸收的等离激元材料是实现高效产生水蒸汽的关键。

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”。

拓扑绝缘体因其独特的拓扑表面态，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。二者的协同作用，能够显著的提升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，能够显著地提升光热水蒸发效率。

据他介绍，该系统能够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，该技术同样表现出色。通过光热蒸发，海水中的钠、钾、钙、镁等离子浓度被大幅降低，可直接用于农业灌溉或生活用水。

更巧妙的是，该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，实现“一热两用”。

这项研究中的拓扑绝缘体-等离激元异质材料的潜力远不止于海水淡化。

“光热材料就像一把‘万能钥匙’。”刘洋解释道，“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的清洁能源转换中的应用。

马良（后排中间）与团队成员。受访者供图

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和90后导师一起嗨

科研的突破往往始于“失败”的馈赠,但发现“失败”的价值，需要有双慧眼。

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”——在众多材料之中，这根本应被视作“杂质”的异常结构，却成为了研究的重要转折。

“当时我们以为实验失败了，但导师的一句话点醒了我们：‘杂质可能有更好的用途’。”刘洋回忆道。

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停滞数月，研究一度陷入僵局。最终，在导师马良的指导下，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。

科研攻坚之外，马良老师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，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，是一支由90后导师领衔的年轻团队，近年来，该团队培养了十多名研究生、本科生，均赴国内名校深造。

导师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，让我们和老师之间配合得更加默契。”刘洋说。

 相关文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt2884