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贺飞 （北京大学，北京100871）
1 前言
【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（一） 2 历年发布的十大新兴技术汇总分析 2.1 信息技术【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（二） 【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（三） 2.2 生物技术【科技评论】MIT《技术评论》历年“十大技术突破”述评（四） （……续前期文章） 2.3 能源技术在130项新兴技术中，新能源技术数量不多，仅有8项，但倍受瞩目。绿色、高能效和低成本的太阳能、生物燃料、核能的快速发展，其中太阳能电池技术尤其引人关注，代表着可再生能源的发展方向。这些新能源技术的应用，将可能引起能源结构的变革,有利于缓解全球能源和环境危机。 表 4历年发布的十大新兴技术中的能源技术汇总
在太阳能利用方面有纳米太阳能电池、光陷阱太阳能光伏电池、超高效太阳能（2项）、太阳能微型电网等五项技术突破，利用材料科学和纳米科学的最近技术，围绕降低太阳能成本和提高能效方面。 纳米太阳能电池（Nano Solar Cells）是加州大学伯克利分校化学家Paul Alivisatos开发的利用太阳能的一项新技术，利用纳米技术制造能像塑料包装纸或涂料一样伸展的光电材料。纳米太阳能电池不仅能与其它建筑材料结合在一起，而且有望最终使太阳能电力作为替代电力广泛应用而且低成本生产。其制造的原型太阳能电池由厚度仅为200纳米的纳米棒聚合物复合材料薄片组成。电极薄层夹在复合材料薄片之间。当阳光照到这些薄片时，它们就吸收光子，激发在复合材料中占90%的聚合物和纳米棒中的电子，结果在电极产生了有用的电流。纳米棒太阳能电池可以被铺开、喷射或打印甚至涂敷在表面上。甚至公共汽车上的广告牌也可以是太阳能收集装置。 光陷阱太阳能光伏电池（Light-Trapping Photovoltaics）利用等离子体效应，将金属换成纳米颗粒，并镀在薄膜硅电池表面上，射入的光线可以使这些微粒震动，从而有效地让光线散射，电池因此能够吸收波长更长的光线。如此一来，入射光线就像是进入了“陷阱”，被更多地吸收而不是逃逸，从而大幅提高薄膜太阳能电池的效率，实验结果显示这种“光陷阱”能够将薄膜电池的发电量提升30%。其大规模应用于光伏产业，将改变太阳能电池技术领域的平衡，加速太阳能取代传统化石燃料能源的步伐。预计很快实现量产。 超高效太阳能（Ultra-Efficient Solar）所研发的砷化镓高效能太阳能电池板能达到34%的光电转换效率。最大限度地发挥每块面板的效率以降低太阳能的价格是非常重要的，一旦规模化运行，其发电成本之低将足以与那些以煤和天然气为燃料的电厂相抗衡。为了克服砷化镓很昂贵的缺点，研究人员缩减太阳能电池的尺寸，将每块太阳能板上的单个光吸收器缩减至仅600微米宽、600微米长、10微米厚。这种小型电池单元产生的热量可少到无需使用冷却系统，从而进一步降低了成本。这一技术的不足是电池在晴朗的天气下，接收日光直射时，系统能达到最佳效果；在任何其他情况下，能源产量就会显著下降。目前已开始大规模生产这种面板。 另一项超高效太阳能（Ultra-Efficient Solar Power）利用很小尺度操控光技术，将太阳能设备效用提高两倍，能制造价格可承受的设备较目前的太阳能板生产两倍的太阳能。制造更有效能的太阳能板模块将意味着需要更少的板子来生产同样的电力，这样硬件和安全的成本将大大减少，将使太阳能比化石能源更有竞争力，完全改变可再生能源经济状况。 太阳能微型电网（Solar Microgrids）利用太阳能电池板和LED成本下降的契机，建设和运营以低成本太阳能为动力的村级规模微型电网，可以为农村贫困地区提供成本很低的家庭清洁照明和手机充电的服务。微电网从一个相对较小的电源地将电力配送到有限的区域。同时，还可配以替代解决方案，如独立的太阳能电灯。微电网的优势是，安装成本可由整个村子进行分摊。该系统还可使用更高效、更大规模的电力发生和存储系统以降低运营成本。这种即刻就能得到并支付得起的商业化微电网已于2011年夏天在印度部署。 此外，在生物燃料研究方面，太阳能燃料（Solar Fuel）通过从喂养阳光与二氧化碳的转基因微生物中提炼乙醇及其它液态燃料，利用太阳能成功地用光合作用将二氧化碳高效转化成乙醇生物燃料。研究人员在特殊的生物反应器中培养转基因光合微生物，整个过程不消耗淡水、也不需要很大的空间，只需要阳光。这些微生物在阳光的刺激下会不断地“分泌”出燃料。实验结果显示这个技术单位面积内的产能要比传统的玉米乙醇高出100倍，同时开发成本比化石燃料要低很多。这种新型的生物燃料摆脱了对水和大面积土地的需求，唯一可能限制其发展的将是整个反应过程的成本。目前尚没有开展大规模生产，已有公司试图扩大这一技术的应用规模。纤维素酶（Cellulolytic Enzymes）设计制造更好的酶以具备成本优势的大规模、商业化的工业方法，更加高效、低廉地分解纤维素，以生产生物燃料。纤维素酶有利于增加纤维素生物燃料的使用效能，降低使用成本，并可减少温室气体排放。这种技术还可以用于药物制造、去污等。 在核能利用方面，行波反应堆（Traveling-Wave Reactor）是一种一种经济可行的，只需少量浓缩核燃料即可运行的新型反应堆设计方案。当行波反应堆运行时，其堆芯逐渐将非裂变材料转变成它所需要的核燃料。该设计提供了核燃料循环的最简可能，反应堆自身就能将铀-238变成一种可用核燃料钚-239，并立即加以使用，从而消除了被专用于生产核武器的可能性。一个不到1米的活性区域沿着堆芯运动，就能给前方不断地提供新的钚核燃料。基于如此设计的核反应堆在理论上可以运行两百年，而不用再次加注核燃料，而且有限避免了核扩散和环境污染的风险。预计商业化反应堆可在2020年初开始运行。 2.4 材料技术在130项新兴技术中，新材料技术也占8席（表5），碳纳米管、石墨烯、隐身材料以及电池材料成为研究热点，在信息、能源、环境等领域中发挥着物质基础和先导作用。 表 5历年发布的十大新兴技术中的材料技术汇总
可伸展的硅（Stretchable Silicon）把单晶硅固定在一种高聚物上, 当高聚物伸展后反弹的时候, 硅也伸展和弯曲。利用这种具有伸展性的硅制成的电路有很大的应用前景。利用这一技术，很薄又很有柔性的可以像报纸那样卷起来的装置很快就会出现。 但从用于简单的二极管到用于传感器和微芯片所需的集成电路，至少要花5 年的时间。研究人员的最终目标是研制出柔韧性非常好能像T 恤一样折叠的装置。 隐身革命（Invisible Revolution）利用超材料让隐身成为现实，隐身衣不再是科幻故事的专利,将引发通信、数据存储和太阳能等方面的革命。研究人员利用包裹在玻璃纤维内的金属和线缆，设计并制成了“超材料”中的同心环部件，这种新型圆环吸收或反射的微波量更少，能减少物体产生的反光和影子,让微波辐射沿最内圈弯曲，就像水绕开石块儿流动那样。超材料的薄层能够让光线绕过物体，从而使物体隐形。目前可以预计的超材料用途包括：利用超材料可以在很大程度上自由地设计用于隐形的材料；开发能使光线传输更集中的材料等。超材料制成的CD或DVD所存储的信息量将倍增，同时在光纤通信领域超材料能起到加速信息传输和降低能耗的作用。在能源收集方面，超材料制成的太阳能板可以吸收来自各个方向的光束，不必局限于直射的太阳光，这将大幅提高太阳能利用效率。 石墨烯晶体管（Graphene Transistors）理论预测速度要比今天的硅晶体管快100 多倍。这种新形式的碳可能会导致更为快速、紧凑计算机处理器的问世。研究证明可将数百个石墨晶体管的阵列制作在单个芯片上。石墨中电子的流动几乎没有阻力，且产生很少的热量。更重要的是，石墨本身就是一个很好的热导体，允许热量快速散失。由于这些因素及其他因素，以石墨为基础的电子产品可以在更高的速度下运行。研究表明利用石墨速度将能达到太赫级（吉赫的1000 倍），可为下一代电子产品实际所用。此外，还可用于超高速晶体管的通信和成像技术领域。如在探测隐藏武器的太赫兹成像上应用。目前，石墨电子产品的前景已引起半导体产业的关注。 液态电池（Liquid Battery）给电力的存储带来极大的希望。它以熔融金属为电极，在电极间传导电流的电解质则是一种熔盐，可快速吸收大量电子，提高效能，且成本不及现今最好电池的1/3，使用寿命也大大延长,有利于大规模储存电力，使得太阳能发电大有用武之地。这种电池的电极可运行的电流要比现有任何电池高数十倍，更重要的是，材料相对便宜，且这种设计利于制造。并且具有一个集电器的双重功效，从太阳能电池板收集电力，或将它们传送到电力网以给企业或家庭供电。首个系统将采取在用电低谷时存储电力来满足高峰期用电需求的方法，如此就降低了建设新电站和传输线路的需要。液态电池的优点在于价格低廉，使用寿命长，应用范围广泛。这项技术目前尚未商业化。 固态电池（Solid-StateBatteries）通过使用储能更大的材料以节省更多空间，是传统电池大小的三分之一。该技术不需要额外非供电的部件（例如电池里面的冷却装置和辅助原料），不仅节省了空间和原材料，缩小了体积，而且能够存储更多能量。这种降低价格和延长续航的更小更轻的高能锂电池可以大大降低电动汽车的制造成本，提高其竞争力。 高速材料的发现（High-Speed Materials Discovery）可快速测试最佳的、适合于大规模生产的电池材料，能使电池变得更小、更省电，有望彻底革新能源存储的面貌。这一技术采用类似药物发现实验室的高通量组合化学方法，可系统性地对数以千计的材料进行并行测试，一周之内即可合成和测试约3000种新的材料组合，从而快速获得高能源密度的新材料。利用这种革命性的新材料所制成的电池比现有的更小、电量更足，对电动汽车和智能手机领域极具吸引力。 微型3-D打印（Microscale 3-D Printing）使用不同类型材料制成的“油墨”，例如带血管的生物组织，来3D打印物体。通过精确应用，3-D打印机能用不同材料的混合物，从活细胞到半导体，精确混合和匹配“墨水”，大大扩展了可打印范围。可以用于制造有理想功能的生物材料能促进人造器官和新颖的半机器零件产生。利用这一技术，研究人员已打印出一个结合了生物组织和电子元件的仿生耳，形成复杂眼组织的视网膜细胞，以及显微电极和微型锂离子电池所需的其他元件。其他应用包括打印焊接在塑料块上的传感器，运动员可以整天穿上它来检测冲击和记录剧烈运动影响。未来可能有望打印混杂复杂血管网络的生物组织甚至有完全功能的肝或肾。 绿色混凝土（Green Concrete）用镁硅酸盐取代先前的基础原料石灰岩，让水泥在硬化过程中大量吸收二氧化碳，可以将二氧化碳固化在水泥中，从而中和其在生产过程中带来的碳排。这种镁硅酸盐水泥具备良好的硬度，但不会像石灰岩那样在制造过程中释放出大量二氧化碳。并且不需要高温操作，这使得它在生产过程中的碳排降至0.5 吨左右。同时在硬化过程中还能够不断与大气中的二氧化碳发生反应，生成碳酸盐，这个过程不仅能加强水泥的硬度，还能够吸收大致0.6 吨的二氧化碳，使得其最终碳排几乎为零。 （未完待续……）
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