由美國麻省理工學院(MIT)和普渡大學(Purdue University)組成的研究團隊宣稱，研究人員們正成功地“結(jié)合傳統(tǒng)燈泡的溫暖外觀以及21世紀的能源效率”。盡管這項研究屬于“納米光子學”領域，但MIT的研究人員認為這項在燈泡研究的成果，也適用于其他能量轉(zhuǎn)換技術。

研究人員開發(fā)的這種新結(jié)構(gòu)采用了真空中的傳統(tǒng)鎢絲，透過外部涂層或環(huán)繞次級結(jié)構(gòu)，能夠擷取可見光外部的輻射，并使其反射回燈絲，以便被重新以可見光吸收后再 次發(fā)射。這些光子晶體形式的結(jié)構(gòu)采用地球上豐富的元素以及傳統(tǒng)材料沉積技術加以制造：不僅可作為IR波長的反射器，也成為了可見光光譜的帶通或高通光譜濾 波器。熱能不斷返回燈絲，并且隨著電流的電阻加熱提高燈絲溫度而持續(xù)累積。

研究人員指出該方案在理論上約可達到40%的發(fā)光效率，不過至今所制造的組件大約在6%左右。然而，這已經(jīng)能媲美緊湊型熒光燈(compact fluorescent;CFL)以及現(xiàn)有LED燈的光源了。

根據(jù)MIT表示，“白熾燈的燈光、溫暖以及令人熟悉的光芒已經(jīng)存在超過一世紀了，在全球各地的家庭應用中幾乎不曾發(fā)生改變。然而，隨著法規(guī)持續(xù)提升能效的目標，目前正迅速發(fā)生的變化是逐步淘汰舊式燈泡，轉(zhuǎn)而采用更加高效的緊湊型熒光燈(節(jié)能燈泡)以及新的LED燈。”

由愛迪生(Thomas Edison)開發(fā)的白熾燈泡原理是將鎢絲加熱至大約2，700℃的溫度。在此高溫下的鎢絲會發(fā)射出所謂的黑體輻射，這種極其廣泛的光譜可提供暖光以及各 色光源。不過，大約有95%以上的能量都會因為熱而耗散。這就是為什么許多國家已明令禁止或淘汰這種低效的技術。如今，MIT與普渡大學的研究人員已經(jīng)找到扭轉(zhuǎn)這一切的方法。

新的研究成果發(fā)表于《自然納米技術》(Nature Nanotechnology)期刊。根據(jù)研究人員指出，這項研究的關鍵在于建立一個兩階段的過程。在第二步驟中“回收”先前浪費的能量，這讓系統(tǒng)能夠更高效地將電能轉(zhuǎn)換成光能。其中之一是表征光源的“發(fā)光效率”，必須考慮到人眼的反應。傳統(tǒng)白熾燈的發(fā)光效率大約2-3%，而熒光燈(包括節(jié)能燈泡)則為 7-15%，大部份的LED則在5-15%之間;而新開發(fā)的2階段白熾燈則可望實現(xiàn)高達40%的發(fā)光效率。

不過，研究團隊開發(fā)的首款概念驗證原型尚未達到這樣的理想，而是大約6.6%的發(fā)光效率。但即使這是初步的成果，也已經(jīng)可媲美目前的CFL與LED，而且也可能讓白熾燈泡提高3倍的發(fā)光效率了。

研究人員成功的關鍵之一在于設計出一種光子晶體，適用于相當寬廣的波長范圍與角度。這種光子晶體本身是在基板上沉積薄層堆棧而制造的。

“當你堆棧薄層時，必須采用正確的厚度和順序，”MIT教授Ognjen Ilic解釋，“你就能夠十分高效地調(diào)整材料與光源間的互動。在新開發(fā)的系統(tǒng)原型中，理想的可見光波長直接通過材料后由燈泡發(fā)射出來，但紅外線波長會像鏡 像作用一樣被反射回燈絲，累積更多的熱后再轉(zhuǎn)換成光。由于只有可見光能夠輻射出來，熱量持續(xù)反彈回鎢燈絲，直到最終成為可見光為止。”

除了燈泡以外，該技術還能用于實現(xiàn)其它更多應用，MIT教授Marin Soljacic表示。相同的途徑將會對于能量轉(zhuǎn)換機制帶來“顯著的影響”，例如熱-光電組件，其熱能來自外部光源(化學物質(zhì)、陽光等)而使物質(zhì)發(fā)光，它 能透過光電吸收器使其發(fā)射能夠轉(zhuǎn)換成電能的光線。

Soljacic說：“了解各種組件的基本屬性”，如光、熱及其重要互動，以及光的能量如何更有效率地利用，對于廣泛的掌握各種物質(zhì)來說都是十分重要的。此外，控制熱發(fā)射的能力也至關重要。這是對這項研究的實質(zhì)貢獻。