赖斯大学采用太阳能的方法，利用阳光和纳米颗粒净化盐水，其效率甚至比其创造者最初认为的更为有效。赖斯纳米光子实验室(LANP)的研究人员本周表明，仅通过添加廉价的塑料透镜将阳光集中到“热点”，他们就可以将其太阳能淡化系统的效率提高50%以上。结果可在《美国国家科学院院刊》上在线获得。
莱斯大学布朗工程学院应用物理专业的研究生，论文的第一作者，作者Pratiksha Dongare表示：“提高太阳能驱动系统性能的典型方法是增加太阳能集中器并引入更多的光。”“这里最大的区别是我们使用的是相同数量的光。我们已经证明可以廉价地重新分配该功率并显着提高纯净水的生产率。”
在常规的膜蒸馏中，热的盐水流过片状膜的一侧，而冷却的过滤水流过另一侧。温度差产生蒸气压差，该蒸气压差将水蒸气从受热侧通过膜输送到较冷的低压侧。扩大技术难度是困难的，因为随着膜尺寸的增加，整个膜的温差以及随之而来的净水输出量会减少。赖斯的“启用纳米光子学的太阳能膜蒸馏”(NESMD)技术通过使用吸收光的纳米粒子将膜本身转变为太阳能驱动的加热元件来解决这一问题。
Dongare及其同事，包括研究共同首席作者Alessandro Alabastri，用低成本的可商购获得的纳米颗粒覆盖膜的顶层，这些纳米颗粒旨在将80%以上的阳光能量转化为热量。太阳能驱动的纳米粒子加热技术降低了生产成本，莱斯公司的工程师正在努力扩大该技术的规模，以适应无法通电的偏远地区的应用。
NESMD中使用的概念和粒子是LANP主任Naomi Halas和研究科学家Oara Neumann于2012年首次证明的，他们都是这项新研究的合著者。在本周的研究中，Halas，Dongare，Alabastri，Neumann和LANP物理学家Peter Nordlander发现，他们可以利用入射光强度与蒸气压之间固有的，以前无法识别的非线性关系。
莱斯大学电气与计算机工程系的物理学家兼德州仪器研究助理教授Alabastri使用一个简单的数学示例来描述线性和非线性关系之间的差异。“如果取两个等于10的数字-七个和三个，五个和五个，六个和四个-如果将它们加在一起，则总会得到10。但是如果过程是非线性的，则可能将它们平方甚至立方因此，如果我们有9和1，那将是9平方或81，再加上1平方等于82。这远胜于10，这是线性关系的最佳选择。”
在NESMD的情况下，非线性的改善来自将阳光集中到细小的斑点上，就像孩子在晴天可能会戴放大镜一样。将光聚集在膜上的一个小点上会导致热量线性增加，但是加热又会导致蒸汽压非线性增加。并且增加的压力迫使更多的纯净蒸汽在更少的时间内通过膜。
Alabastri说：“我们证明，在较小的区域中拥有更多的光子总是比在整个膜上均匀分布光子更好。”
哈拉斯(Halas)是化学家和工程师，在光活化纳米材料的应用方面已经花费了25年以上的时间。他说：“这种非线性光学过程的效率非常重要，因为缺水已经成为世界上一半人的日常生活，而且高效的太阳蒸馏可以改变这一点。
Halas说：“除了水净化之外，这种非线性光学效应还可以改善利用太阳加热来驱动光催化等化学过程的技术。”
例如，LANP正在开发一种铜基纳米颗粒，用于在环境压力下将氨转化为氢燃料。
哈拉斯(Halas)是斯坦利·C·摩尔(Stanley C. Moore)电气和计算机工程系教授，莱斯大学Smalley-Curl研究所所长，化学，生物工程，物理学和天文学，材料科学和纳米工程学教授。
NESMD正在基于水稻的纳米技术中心水处理中心(NEWT)进行开发，并于2018年获得了能源部太阳能淡化计划的研发资金。