CN103113856A - 一种光热转换流体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能材料制备工艺技术领域中的一种光热转换流体及其制备方法。将具有近红外光热转换特性的半导体材料中空结构分散到液相传热介质中，形成对近红外波段响应的光热转换流体。该方法适用性广泛、条件温和、工艺简单，易于工业化生产。所制备的光热转换流体在太阳能利用、肿瘤光热治疗、控制释放等方面具有良好的推广应用前景。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光热转换流体及其制备方法，属于功能材料制备工艺技术领域。
技术背景：
光热转换流体在太阳能利用、肿瘤光热治疗、控制释放等方面有重要应用前景。太阳光谱中近红外波段的能量约占总能量的一半。利用光热转换流体作为太阳能集热器的工作液，可以增加对近红外波段太阳光的吸收和热量转化，相对于用单纯的传热液体介质作为工作液时，可以显著提高太阳能利用率，在相同照射强度和相同的流量下，光热转换流体具有更高的温升。光热治疗的治疗原理是基于光热转换材料对激光产生强烈吸收，将激光的能量高效地转化为热量，使肿瘤细胞温度升高，从而杀死肿瘤细胞。由于近红外光(700-1100nm)可以高效地穿透人体组织，作为肿瘤治疗的光热转换材料，必须对近红外波长的激光产生最大吸收峰，并且能将激光的能量高效地转换成热能。光热转换流体用于光热治疗时，光热转换材料通过流体输运到病灶，附着在肿瘤细胞上，通过近红外激光穿透人体组织，照射光热转换材料使其升温，从而杀死肿瘤细胞。光热转换流体还可以通过光热转换材料负载药物，通过流体输送到目标地点，再用近红外激光照射使光热转换材料发热膨胀，从而释放药物，达到控制释放的目的。
现有技术中采用的光热转换材料主要是贵金属，尤其是金纳米颗粒最为普遍，利用其表面等离子体共振效应，将近红外光的能量转化为热量。当然，采用贵金属作为光热转换材料，其生产成本是主要制约因素之一。最新研究表明，某些半导体材料也具有光热转换特性。一般来说，半导体受其能带宽度的制约，吸收波段主要在紫外光和可见光区域。但是，当半导体材料中含有过渡金属元素时，由于其外层电子能级中具有一定数量的空轨道，给电子跃迁提供了可能，而这种电子跃迁所需的能量较小，可以通过吸收近红外光的能量来激发。我们在研究中发现，硫化铜、硫化银铜、硫化铟铜等均具有光热转换特性。相对于贵金属光热转换材料而言，半导体光热转换材料在成本上具有优势。另一方面，相对于实心结构而言，中空结构的光吸收和光热转换效率均有增强。当近红外光的光子进入到中空结构的空腔内部时，由于空腔效应，光子将会在其中发生多次反射直到被完全吸收，从而提高了光吸收和光热转换效率。
采用半导体中空结构来制备光热转换材料还可以提高流体的稳定性。由于绝大多数的半导体材料其密度都高于常见的传热介质如水、乙二醇等，因而实心颗粒分散到液相后容易发生沉降。而中空结构的表观密度比实心颗粒显著下降，容易获得悬浮稳定的光热转换流体。在某些情况下，也可以通过多种液相传热介质混合以改变流体密度，从而提高其悬浮稳定性。
本发明采用半导体材料来制备光热转换流体，相对于贵金属而言，明显节约成本。本发明采用中空结构来制备光热转换流体，相对于实心颗粒而言，不仅可以增强对近红外光的吸收和光热转换效率，还有利于获得悬浮稳定的光热转换流体。
发明内容：
本发明制备光热转换流体的方法包括以下步骤：
将具有近红外光热转换特性的半导体材料中空结构分散到液相传热介质中，形成对近红外波段响应的光热转换流体。该方法适用性广泛、条件温和、工艺简单，易于工业化生产。所得光热转换流体在太阳能利用、肿瘤光热治疗、控制释放等方面具有良好的推广应用前景。
具体实施方法：
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
将0.1克外径为900纳米，壁厚为200纳米的硫化铜空心球加入到100毫升蒸馏水中，超声分散形成光热转换流体。用一束波长为1064纳米，强度为0.05W·cm-2的激光照射一滴体积为10微升的上述光热转换流体，一分钟内流体温度从26.8℃上升到33.1℃，比蒸馏水提高10％。
实施例2：
将0.1克外径为1微米，壁厚为250纳米的硫化铟铜空心球加入到100毫升蒸馏水中，超声分散形成光热转换流体。用一束波长为1064纳米，强度为0.05W·cm-2的激光照射一滴体积为10微升的上述光热转换流体，一分钟内流体温度从26.8℃上升到34.4℃，比蒸馏水提高30％。
Claims (7)
1.一种光热转换流体及其制备方法，其特征是将具有近红外光热转换特性的半导体材料中空结构分散到液相传热介质中，形成对近红外波段响应的光热转换流体。
2.如权利要求1所述的光热转换流体及其制备方法，其特征在于：所述的半导体材料包括硫化铜、硫化银铜、硫化铟铜等化合物。
3.如权利要求1所述的光热转换流体及其制备方法，其特征在于：所述的中空结构可以是球形、方形等几何形状。
4.如权利要求1所述的光热转换流体及其制备方法，其特征在于：所述的中空结构的空腔尺寸为50纳米到1000纳米，壳厚为20纳米到500纳米。
5.如权利要求1所述的光热转换流体及其制备方法，其特征在于：所述的中空结构由纳米颗粒组装而成。
6.如权利要求1所述的光热转换流体及其制备方法，其特征在于：所述的液相传热介质为水、乙二醇、丙二醇中的一种或多种混合而成。
7.如权利要求1所述的光热转换流体及其制备方法，其特征在于：所述的光热转换流体中半导体材料中空结构的质量占流体质量的0.01％到10％。
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