Gli scienziati dei materiali dell'UCLA hanno sviluppato una classe di materiale ottico che controlla il modo in cui la radiazione termica è diretta da un oggetto. Simile al modo in cui le tende sovrapposte dirigono l'angolo della luce visibile proveniente da una finestra, la svolta implica l'utilizzo di una classe speciale di materiali che manipola il modo in cui la radiazione termica viaggia attraverso tali materiali.

Pubblicato di recente in Scienza , il progresso potrebbe essere utilizzato per migliorare l'efficienza dei sistemi di conversione dell'energia e consentire tecnologie di rilevamento e rilevamento più efficaci.

"Il nostro obiettivo era dimostrare che potevamo effettivamente irradiare radiazioni termiche - il calore che tutti gli oggetti emanano come onde elettromagnetiche - su ampie lunghezze d'onda nella stessa direzione, " ha detto il leader dello studio Aaswath Raman, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering. "Questo progresso offre nuove funzionalità per una gamma di tecnologie che dipendono dalla capacità di controllare i flussi di calore sotto forma di radiazione termica. Ciò include applicazioni di imaging e rilevamento che si basano su fonti termiche o rilevarle, così come le applicazioni energetiche come il riscaldamento solare, recupero del calore residuo e raffreddamento radiativo, dove limitare la direzionalità del flusso di calore può migliorare le prestazioni. "

Ogni oggetto emette calore come luce, un fenomeno noto come radiazione termica. Esempi familiari includono il filamento in una lampadina, bobine incandescenti in un tostapane e persino la luce naturale del sole. Questo fenomeno può essere rilevato anche sulla nostra pelle e negli oggetti comuni, dai vestiti che indossi alle pareti intorno a te.

Sulla terra, per oggetti a temperatura ambiente fino a oggetti moderatamente caldi, gran parte della radiazione termica emessa risiede nella parte infrarossa dello spettro.

In precedenza, una sfida fondamentale aveva impedito ai materiali di dirigere il loro calore in direzioni specifiche su un ampio spettro per garantire che venga emessa una quantità sufficiente di calore. Per risolvere l'enigma, i ricercatori hanno creato un nuovo quadro teorico utilizzando materiali nanofotonici. Per la prima volta, il team ha dimostrato che questa nuova classe di materiali efficaci consente la dispersione di ampie bande di radiazioni termiche su angoli predeterminati.

"Per dimostrare questo concetto, abbiamo stratificato diversi materiali di ossido, che manipolano la luce infrarossa su diverse lunghezze d'onda, e irradiava gran parte del calore emesso verso gli stessi angoli fissi, " ha detto il primo autore dello studio Jin Xu, uno studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria dell'UCLA. "Inoltre, gli ossidi che abbiamo usato sono comuni, quindi le forniture non sarebbero un problema nella produzione del materiale. "

La classe di materiali che dirige il calore è nota come materiali "epsilon-near-zero" o ENZ. I ricercatori chiamano il loro nuovo materiale un materiale ENZ a gradiente. Hanno dimostrato due di questi campioni di materiale che possono irradiare radiazioni termiche su ampie larghezze di banda fino a bande strette di angoli, rispettivamente da 60° a 75° e da 70° a 85°.

Utilizzando una termocamera, gli angoli di radiazione possono essere visti guardando i wafer di silicio rivestiti con i materiali ENZ a gradiente. Visto dalla maggior parte delle angolazioni, i dischi riscaldati sembravano freddi, simile a come appaiono i metalli lucidi come l'alluminio sotto una termocamera. Però, se visto agli angoli specifici progettati, le firme a calore più alto potrebbero essere individuate sui dischi.