当我们思考气候危机时，我们倾向于从宏观角度思考——这是一个全球性问题，需要全球性解决方案。

但 NIST 科学家 James Warren 和 Craig Brown 也希望我们把眼光放得更小，非常小。他们把眼光放在纳米级，即 1 到 100 纳米之间。这比人类头发的宽度大约小 1,000 倍。

他们与其他联邦政府、工业界和私人会的研究人员合作撰写了一篇刚刚发表在《自然纳米技术》上的论文，呼吁更多地关注纳米技术在应对气候变化方面的潜在作用。

这项研究是在国家纳米技术协调办公室的支持下进行的，该办公室的 Nano4EARTH 计划旨在利用纳米技术应对气候变化。沃伦和布朗之所以被邀请参与，是因为他们有将新材料开发成制成品的背景，以及他们在纳米级结构和测量方面的专业知识。

作者指出，为了避免全球气候危机造成最严重的影响，我们必须在 2030 年前大幅减少排放量，并希望在 2050 年实现净零排放。

“纳米技术为实现这一目标做出了独特的贡献。……需要采取紧急行动，迅速扩大规模并实施新的气候解决方案，并从成功的纳米技术应用中汲取经验，”作者写道。

NIST 与沃伦和布朗讨论了纳米技术在保护环境方面可能发挥的作用。

NIST 科学家 James Warren(左)和 Craig Brown(右)最近共同撰写了一篇关于纳米技术如何应对气候变化的论文。例如，在窗户上使用这项技术可以节省高达 40% 的建筑供暖和制冷能源需求。图片来源：M. King/NIST

为什么您觉得撰写有关纳米技术和气候变化的文章很重要?

沃伦：我们真的想让人们开始思考，利用纳米技术可以采取哪些措施来帮助应对气候危机。我们当然觉得，还有很多事情可以做，但还没有做。这真的是一个行动号召。

纳米技术在减少工业温室气体排放方面能发挥什么作用?

布朗：国际能源署表示，到 2030 年，全球工业界每年需要减少 20 亿吨二氧化碳排放量。(1 亿吨相当于 10 亿公吨，大约相当于 20 亿头成年非洲象的重量。)

实现这一目标的方法之一是使用绿色氢能，即利用可再生能源生产氢气，不会产生任何排放。工业界可以使用绿色氢能作为替代燃料来源或替代基于化石燃料的化学品，例如制造过程中使用的天然气和石油。

目前，生产绿色氢气的成本很高。纳米催化剂可以大大降低成本。

你说的纳米催化剂是什么意思?

布朗：纳米材料的优势在于，它们的表面积比普通材料大得多。想象一下，把一个立方体分成 1,000 个立方体。这样你就暴露了更多的表面。这反过来又增加了可以发生反应的位点数量。

其工作原理与纳米材料相同，其中纳米尺寸的粒子可以被塑造和排列以最大限度地增加潜在反应位点的数量。

催化剂贯穿绿色氢气生产过程。催化剂的表面积越大，其效率就越高，因此使用纳米催化剂可以加快生产速度并扩大生产规模。这还可以降低成本，提高生产过程的能源效率。

纳米技术在碳捕获中能发挥什么作用?

沃伦：世界各地都在建造直接空气捕获设施，以清除大气中的二氧化碳。这些设施通常使用巨型风扇吸入空气，然后通过过滤器捕获或捕获碳分子，从而有效地将其从环境中清除。

有些过滤器就像海绵一样，可以选择性地将二氧化碳捕获在孔隙中。这些材料中的孔隙通常处于纳米范围内，这为二氧化碳捕获提供了较大的表面积。目标是确保过滤器具有选择性并有效地将二氧化碳捕获在孔隙中。

您谈到在窗户上使用纳米技术可以使建筑物更加节能。

沃伦：人们可能对目前市场上的一些涂层很熟悉，它们可以选择性地过滤不同类型的阳光。它们的工作原理是允许可见光通过，同时阻挡某些波长的红外光，这些红外光会在房屋或建筑物内产生热量。

这些被称为铬纳米涂层，含有纳米尺寸的颗粒，能够以更复杂的方式吸收、反射或透射不同波长的光。它们可以根据温度或阳光量改变颜色或透明度——也许在中午最热的时候变暗以阻挡阳光进入房间，让室内的人保持凉爽，而无需打开空调。

最近的一份研究论文指出，由电力控制的变色窗户(即电致变色窗户)有可能节省高达 40% 的建筑供暖和制冷能源需求。

这些纳米技术的实现程度如何?

沃伦：挑战的技术难度各不相同。有些可能需要协调一致的投资，而另一些则需要重大的科学和工程创新。尽管放弃现有解决方案存在重大的经济障碍，但人类福祉的回报足以弥补这一点。