飞秒激光合成多尺度高熵合金/石墨烯复合材料用于高性能焦耳加热

为更智能的电加热开发新材料

家用暖气、汽车除霜和防结冰系统都依赖电能产生热量，但大量能量被浪费了。本研究介绍了一种新型超薄、柔性加热器，由金属纳米颗粒与石墨烯混合制成，能比许多现有装置更高效地将电能转化为热能，在某些情形下有望将冬季取暖能耗减少约一半。

由金属混合物与石墨烯构建热源

这项工作的核心是两种先进材料的结合：高熵合金纳米颗粒与激光诱导石墨烯。高熵合金通过将多种金属充分混合，形成单一稳定固相而非分离相。在这里，作者把六种金属——铁、钴、镍、铬、锰和钌——合成为直径仅几纳米的小颗粒。这些颗粒直接在一层通过高强度、聚焦激光在柔性塑料薄膜上“写”出的石墨烯片上生成。该石墨烯基底为暗色、多孔且极易吸收激光，非常适合作为构建复合加热器的平台。

瞬间锻造纳米颗粒的激光闪光

为制备加热材料，团队先在石墨烯上涂覆一层薄薄的金属盐溶液，然后以飞秒激光脉冲照射表面——这些光脉冲仅持续数千万亿分之一秒。脉冲使表面温度升至3000开尔文以上，并在数十亿分之一秒内迅速冷却。在如此极端但短暂的条件下，金属盐分解，金属原子迅速混合并凝固成均匀的高熵合金纳米颗粒，而下面的塑料基底保持完整。计算机模拟和电子显微镜表明，所形成的颗粒大多在5到30纳米之间，均匀分布并锚定于石墨烯表面，部分颗粒被一层薄薄的石墨烯壳包裹。

新薄膜如何传导与辐射热量

石墨烯与合金纳米颗粒的结合显著提升了薄膜的电导和红外辐射能力。测量显示，与普通激光诱导石墨烯相比，该片材的片电阻下降。计算表明有两个主要原因：金属纳米颗粒本身为电子提供了额外的传导通路，同时它们也帮助去除石墨烯中的含氧缺陷，使其更具导电性。与此同时，粗糙的多尺度表面结构和少量金属氧化物赋予薄膜在广泛波长范围内约0.98的极高红外发射率。简而言之，当薄膜被加热时，它在红外波段（我们感受到的辐射热）具有极强的发光能力。

真实使用中的薄、快与高效加热

施加小电压时，复合薄膜能迅速升温至200摄氏度以上，表面加热均匀，并在反复弯曲和通断循环中保持性能。在相同面积和相同电源下，新材料比商业电加热器更快达到更高温度。测试中，它能在几分钟内融化冰块、比标准加热器更有效地远距离加热冷物体，并在室外低于冰点的条件下以约一半的电力维持模型房内舒适温度。研究者还绘制了不同城市中这种设备可能节省的冬季取暖能耗地图，发现尤其在寒冷地区具有显著的潜在节能效果。

对日常取暖的意义

对非专业读者来说，关键在于作者发明了一种柔性、纸张般薄的电加热器，能以出色的效率将电能转换为舒适的辐射热。通过超快激光脉冲构建精细混合的金属—石墨烯涂层，他们得到了既高导电又优秀热辐射的材料。若将其应用于实际产品——如除冰系统、可穿戴暖器或室内加热器——这种方法有望在减少电力消耗的同时为人们提供温暖，有助于在气候变暖但仍有冬季寒冷的情况下实现更可持续、更加定向的取暖解决方案。

引用: Wang, L., Yin, K., Xiao, J. et al. Femtosecond laser synthesis of multiscale high-entropy alloys/graphene composites for high-performance Joule heating. Nat Commun 17, 2121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70162-3

关键词: 焦耳加热, 高熵合金, 石墨烯加热器, 红外发射率, 节能加热