קיטור מזהב שחור

חוקרים מסין ומארה"ב הדגימו דרך חדשה לייצור יעיל של קיטור בעזרת קרינת השמש. במאמר בכתב העת Science Advances הם מדווחים כי הצליחו לייצר משטח דק המחורר במיליוני חורים שקוטרם כמה עשרות ננו-מטרים בלבד (ננו-מטר=מיליארדית המטר). בהמשך הם מילאו כל חור בחלקיקי זהב זעירים במגוון גדלים – כמו לדחוס המון גולות בשלל גדלים לתוך צינור ארוך.

ננו-חלקיקי זהב סופגים ("בולעים") אור בצורה טובה מאוד באורכי גל מסוימים. התכונה הזאת נובעת משילוב בין הממדים הזעירים שלהם לתכונת ההולכה החשמלית של זהב, וחלקיקים בגדלים שונים בולעים אור באורכי גל שונים מעט. כשהחוקרים שילבו ננו-חלקיקים בגדלים שונים הם הצליחו לבלוע כך 99 אחוז מאורכי הגל של האור הנראה. התוצאה היא שמשטח כזה נראה שחור לגמרי באור השמש, כי רוב הקרינה שנופלת עליו נבלעת בו ומחממת אותו.

עוד לפני שהומצא מנוע הקיטור במאה ה-18 היו מכשירים שניצלו אדי מים רותחים כדי להפיק תנועה. עד היום קיטור הוא דרך מצוינת להפעיל מנועים, פשוט כי קל יחסית להפיק אותו, אדי המים אוצרים אנרגיה רבה ואפשר לדחוס אותם כדי לסובב אפילו להבי טורבינה עצומים וכבדים.

הבעיה היא שכדי לייצר קיטור צריך להרתיח כמות גדולה של מים, כלומר צריך להשקיע כמות גדולה של אנרגיה. ייחודו של הפיתוח החדש הוא המבנה המאפשר שטח מגע גדול עם המים וחימום חזק וממוקד שלהם באזור החורים. כך אפשר לאדות רק את השכבה העליונה של המים, בלי לחמם את נפח המים כולו.

זו אינה הפעם הראשונה שמצליחים ליצור באמצעים ננו-טכנולוגיים בליעה יעילה של אור בתחום הנראה. אפילו לא מדובר בפתרון בעל הבליעה החזקה ביותר, אלא פשוט באמצעי הזול והקל ביותר ליצור שנמצא עד כה, ומכאן נובעת חשיבותו.

מערכת יעילה להרתחת מים יכולה לאפשר מגוון שימושים, החל בהתפלת מי ים וחיטוי מים כך שיהיו ראויים לשתייה וכלה בהפקת קיטור מאנרגיית השמש עבור טורבינות חשמל או מי רחצה. לפתרונות זולים לכך עשויה להיות משמעות אדירה לצרכיהם של האזורים העניים של העולם.

הפלזמונים של רומא
כבר במאה הרביעית לפני הספירה ידעו נפחי זכוכית ברומא שכאשר מפזרים חלקיקי זהב בתוך זכוכית מותכת מתקבלת תופעה מפתיעה שאפשר לנצל לצרכים אמנותיים: צבע הזכוכית משתנה בהתאם לתאורה. אחת הדוגמאות המפורסמות לטכניקה הזאת היא הספל המפואר המכונה "גביע ליקרגוס" על שם דמות המלך המיתולוגי שמופיע בעיטורי הספל. כשמתבוננים בספל באור יום רגיל, שמגיע מכל הכיוונים הוא נראה ירוק. לעומת זאת, אם נדליק בתוכו נר ונצפה בו דרך הזכוכית, האור המועבר נראה אדום.

גם כאן מקור התופעה היא תכונות הבליעה של חלקיקי הזהב בתוך הזכוכית. כשאלקטרונים נעים בתוך גרגירי הזהב הקטנים בגלל פגיעת האור במשטח, הם זזים הלוך ושוב כגלים. ממדי הגרגיר הקטנים מגבילים את תנועתם ולכן את הצורות האפשריות של התפשטות הגלים. לגלי אלקטרונים אלה קוראים "פלזמונים" והם נושא מחקר חם בתחום הנדסת חומרים והפיזיקה הבסיסית. הבנה טובה יותר שלהם מאפשר לשלוט בצורה שבה משטחים בולעים אור וכך לייצר למשל תאים סולריים בעלי יעילות גדולה יותר. הרומאים, כמובן, לא ידעו את ההסבר הפיזיקלי לתופעה, אך ידעו לנצל אותה בצורה מרהיבה.