有朝一日，夜光材料会照亮我们的城市吗？
作者｜Kurt Kleiner
翻译｜赵金瑜
校译｜于茗骞
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大约在1603年，意大利鞋匠兼业余炼金师文森佐·卡夏罗洛在博洛尼亚附近的帕德诺山的山坡上，发现了一些特别致密的石头。他尝试熔炼这些石头，结果没有像他所希望的那样产生金、银或其他贵金属。但在石头冷却后，卡夏罗洛发现了一些有趣的事情：如果他将熔炼产物暴露在阳光下，然后把它带入黑暗的房间中，石头会发光。
这种“博洛尼亚石”是第一种人工制备的持久性发光材料[1]。后来又有更多的发光材料出现，如今，持久性发光材料被用于装饰、应急照明、路面标记和医学成像。
也许有一天，我们能用这些材料建成更凉爽、耗电更少的发光城市。
新一代发光材料可以吸收原本可能会转化为热量的光，再重新散发出去，这样就可能会为城市降温。它们还可能减少能源的使用，因为发光的人行道、发光的路标甚至发光的建筑物都可以取代一些街道照明。欧洲的一些城市已经安装了发光的自行车道，一些研究人员已经开展了使用发光涂料作为道路标识方面的研究[3]。
“这对环境更友好，”保罗·伯达尔说，他是加州伯克利的劳伦斯国家实验室的环境物理学家，现已退休。“如果技术可以改进，我们可以使用更少的能源......这是一件值得做的事情。”
博洛尼亚石是一种矿物重晶石，当时的自然哲学家对它很着迷，但从来没有什么大用途。但在20世纪90年代，化学家们开发出了新型的持久光致发光材料，例如铝酸锶，暴露在光照下后，可强烈发光数小时。这些新材料大多数会发出蓝色或绿色的光芒，但也有一些会发出黄色、红色或橙色的光芒。
这种光致发光材料的工作原理是“捕获”光子的能量，然后以低波长的形式重新发射能量。有些会瞬时发光，例如在荧光灯泡中。而另一种则被称为持久性发光材料，它们储存能量的时间更长，发射速度更慢。
图｜已发现的发光材料有250多种。上图中按三种方式分类：(a) 作为发光中心的微量材料；(b) 主体化合物；(c) 材料发出的颜色。
这些可持续发出数小时强光的材料开启了新的可能性，例如由发光的人行道和建筑物, 也许不久就会有“在黑暗中发光”的城市。建筑工程师安娜·劳拉·皮塞洛及其同事在2021年的《材料研究年鉴》[4]中写道，由于照明占全球能源消耗总量的19%[5]，而在欧洲，街道照明约占1.6%[6]，因此（新材料的）节能潜力是巨大的。
这种方法的一个问题是，大多数发光材料不会在整个夜晚都发光。佩鲁贾大学研究节能建筑材料的皮塞洛说，更好的材料可以帮助解决这个问题。与此同时，现有的材料可以与电力照明相结合，可以先用电力照明为道路标记充足电，然后再将其关掉。
发光涂料还可以用于室外照明。皮塞洛的实验室开发出了一种夜光涂料，并在2019年的一份报告中[7]，他们模拟了将这种涂料用在火车站附近的公共道路上，看看会发生什么。科学家们发现，通过在夜间发光，这种涂料可以将附近区域的照明所需的能量减少约27%。
皮塞洛表示，不用担心整个城市因整夜地闪耀而增加了有害的光污染[8]。因为发光材料可能只会取代现有的照明，而不是在现有的照明基础上增加。此外还可以选择发光的颜色，以避免对野生动物特别有害的蓝色频率。
发光材料还可以帮助对抗“城市热岛效应”。屋顶和人行道从太阳中吸收能量并将其作为热量散发出来，导致城市夏季气温比周围乡村平均高出7.7℃。高温是一种潜在的健康危害，也会导致更多的能源被消耗在室内制冷上。
一种越来越普遍的解决方案是使用反射光线的“冷”材料，例如白色油漆和浅色沥青。事实证明，添加发光材料可以起到更大的作用。
图｜佩鲁贾大学的安娜·劳拉·皮塞洛和她的同事们正在尝试打造在黑暗中发光的实用路面。他们正在试验不同的发光物质，并测试如何将它们添加到路面材料中以获得最佳性能和耐用性。上图是发光材料和嵌有发光材料的铺路石板样品。图源：由安娜·劳拉·皮塞洛提供。
在劳伦斯伯克利实验室，伯达尔和他的团队用合成红宝石（一种在阳光下会发光的材料）进行实验，旨在制造能保持低温的彩色涂层[9]。在早期的实验中，他们报告说，与类似颜色的普通材料相比，添加了“红宝石”材料的表面在阳光下的温度更低。
皮塞洛的实验室更进一步，他们在混凝土中添加了几种持久发光的材料——能够储存光能并缓慢释放的材料[10]。与相同颜色的不发光表面相比，其中最好的样本在晴天时能将周围气温降低多达3.3°C。
“你可以让（表面）尽可能反光。但还能更进一步吗？这个想法是，也许你可以更进一步，将持久性发光作为另一种把能量转移出去的方式......这很有趣，“亚利桑那州立大学的机械工程师帕特里克·费兰说道。他在《环境与资源年鉴》上与人合著了一篇关于城市热岛效应的论文[11]。
目前已知的发光材料有250种，其中许多还没有进行实际应用研究。皮塞洛说，有可能找到能持续更长的发光时间、更亮、拥有更多颜色的发光涂料和路面。
她说：“在短期内，最好、最简单的解决方案是改进我们已有的东西。”这包括调整材料，使它们发出更长时间、更强烈或不同颜色的光，并确保它们仍能在真实环境中有效。
她补充说，从长远来看，新型改造材料的效果会更好。例如，可以研究“量子点”——一种可以发光并且已经用于生物成像的微型半导体颗粒或者钙钛矿——用于太阳能电池的材料，人们也正在研究其发光特性。
注：Kurt Kleiner是多伦多的自由科学记者。
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原文标题“Will glow-in-the-dark materials someday light our cities?”，作者 Kurt Kleiner，发布于2021.11.11 Knowable Magazine。链接https://knowablemagazine.org/article/technology/2021/will-glow-in-the-dark-materials-someday-light-our-cities。
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