Un assorbitore a banda larga quasi perfetto che è sottile, flessibile e trasparente alla luce visibile. Credito:UC San Diego Jacobs School of Engineering
Rivestimenti trasparenti per finestre che mantengono freschi edifici e automobili nelle giornate di sole. Dispositivi che potrebbero più che triplicare l'efficienza delle celle solari. Magro, schermi leggeri che bloccano il rilevamento termico. Queste sono potenziali applicazioni per un sottile, flessibile, materiale che assorbe la luce sviluppato dagli ingegneri dell'Università della California a San Diego.
Il materiale, chiamato assorbitore di banda larga quasi perfetto, assorbe più dell'87 percento della luce nel vicino infrarosso (1, 200 a 2, lunghezze d'onda di 200 nanometri), con il 98 percento di assorbimento a 1, 550 nanometri, la lunghezza d'onda per la comunicazione in fibra ottica. Il materiale è in grado di assorbire la luce da ogni angolazione. In teoria può anche essere personalizzato per assorbire determinate lunghezze d'onda della luce lasciandone passare altre.
Esistono già materiali che assorbono "perfettamente" la luce, ma sono ingombranti e possono rompersi quando piegati. Inoltre non possono essere controllati per assorbire solo una gamma selezionata di lunghezze d'onda, che è uno svantaggio per alcune applicazioni. Immagina se un rivestimento per finestre utilizzato per il raffreddamento non solo bloccasse la radiazione infrarossa, ma anche normali onde luminose e radio che trasmettono programmi televisivi e radiofonici.
Sviluppando un nuovo design basato su nanoparticelle, un team guidato dai professori Zhaowei Liu e Donald Sirbuly presso la Jacobs School of Engineering di UC San Diego ha creato un assorbitore a banda larga sottile, flessibile e sintonizzabile. L'opera è stata pubblicata online il 24 gennaio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Schema dell'array di nanotubi. Credito:UC San Diego Jacobs School of Engineering
"Questo materiale offre banda larga, ancora assorbimento selettivo che potrebbe essere sintonizzato su parti distinte dello spettro elettromagnetico, " ha detto Liù.
L'assorbitore si basa su fenomeni ottici noti come risonanze plasmoniche superficiali, che sono movimenti collettivi di elettroni liberi che si verificano sulla superficie delle nanoparticelle metalliche in seguito all'interazione con determinate lunghezze d'onda della luce. Le nanoparticelle metalliche possono trasportare molti elettroni liberi, quindi mostrano una forte risonanza plasmonica di superficie, ma principalmente alla luce visibile, non nell'infrarosso.
Gli ingegneri della UC San Diego hanno pensato che se potevano cambiare il numero di portatori di elettroni liberi, potrebbero sintonizzare la risonanza plasmonica superficiale del materiale su diverse lunghezze d'onda della luce. "Riduci questo numero, e possiamo spingere la risonanza plasmonica all'infrarosso. Rendi il numero più alto, con più elettroni, e possiamo spingere la risonanza plasmonica nella regione dell'ultravioletto, " ha detto Sirbuly. Il problema con questo approccio è che è difficile da fare nei metalli.
Per affrontare questa sfida, ingegneri hanno progettato e costruito un assorbitore con materiali che potevano essere modificati, o drogato, trasportare una quantità diversa di elettroni liberi:i semiconduttori. I ricercatori hanno utilizzato un semiconduttore chiamato ossido di zinco, che ha un numero moderato di elettroni liberi, e lo ha combinato con la sua versione metallica, ossido di zinco drogato con alluminio, che ospita un numero elevato di elettroni liberi, non tanto quanto un vero metallo, ma abbastanza per dargli proprietà plasmoniche nell'infrarosso.
Immagini SEM di un array di nanotubi:vista laterale (a sinistra) e vista dall'alto (a destra). Credito:UC San Diego Jacobs School of Engineering
I materiali sono stati combinati e strutturati in modo preciso utilizzando tecnologie avanzate di nanofabbricazione nella camera bianca Nano3 presso il Qualcomm Institute dell'UC San Diego. I materiali sono stati depositati uno strato atomico alla volta su un substrato di silicio per creare una serie di nanotubi in piedi, ciascuno costituito da anelli concentrici alternati di ossido di zinco e ossido di zinco drogato con alluminio. I tubi sono 1, 730 nanometri di altezza, da 650 a 770 nanometri di diametro, e distanziati di meno di cento nanometri l'uno dall'altro. L'array di nanotubi è stato quindi trasferito dal substrato di silicio a un sottile, polimero elastico. Il risultato è un materiale sottile, flessibile e trasparente nel visibile.
"Ci sono diversi parametri che possiamo modificare in questo design per adattare la banda di assorbimento del materiale:la dimensione dello spazio tra i tubi, il rapporto tra i materiali, i tipi di materiali, e la concentrazione di trasportatori di elettroni. Le nostre simulazioni mostrano che questo è possibile, " disse Conor Riley, un recente dottorato di ricerca in nanoingegneria. laureato alla UC San Diego e il primo autore di questo lavoro. Riley è attualmente ricercatrice post-dottorato nel gruppo di Sirbuly.
Queste sono solo alcune delle interessanti caratteristiche di questo design basato su particelle, ricercatori hanno detto. È anche potenzialmente trasferibile su qualsiasi tipo di substrato e può essere scalato per realizzare dispositivi di grande superficie, come assorbitori a banda larga per grandi finestre. "I nanomateriali normalmente non sono fabbricati su scale più grandi di un paio di centimetri, quindi questo sarebbe un grande passo in quella direzione, "disse Sirbuly.
La tecnologia è ancora in fase di sviluppo. I team di Liu e Sirbuly continuano a lavorare insieme per esplorare materiali diversi, geometrie e progetti per sviluppare assorbitori che lavorano a diverse lunghezze d'onda della luce per varie applicazioni.
