Un nuovo dispositivo riconfigurabile che emette modelli di luce termica a infrarossi in modo completamente controllabile potrebbe un giorno consentire di raccogliere il calore disperso a lunghezze d'onda infrarosse e trasformarlo in energia utilizzabile.

La nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata per migliorare il termofotovoltaico, un tipo di cella solare che utilizza la luce infrarossa, o calore, piuttosto che la luce visibile assorbita dalle tradizionali celle solari. Gli scienziati hanno lavorato per creare termofotovoltaici abbastanza pratici da raccogliere l'energia termica che si trova nelle zone calde, come intorno a forni e fornaci utilizzati dall'industria del vetro. Potrebbero anche essere usati per trasformare il calore proveniente dai motori dei veicoli in energia per caricare la batteria di un'auto, Per esempio.

"Poiché l'emissione di energia a infrarossi, o intensità, è controllabile, questo nuovo emettitore a infrarossi potrebbe fornire un modo su misura per raccogliere e utilizzare l'energia dal calore, " ha detto Willie J. Padilla della Duke University, Carolina del Nord. "C'è un grande interesse nell'utilizzo del calore di scarto, e la nostra tecnologia potrebbe migliorare questo processo."

Il nuovo dispositivo si basa su metamateriali, materiali sintetici che esibiscono proprietà esotiche non disponibili da materiali naturali. Padilla e lo studente di dottorato Xinyu Liu hanno utilizzato un metamateriale progettato per assorbire ed emettere lunghezze d'onda infrarosse con un'efficienza molto elevata. Abbinandolo al movimento a controllo elettronico disponibile dai sistemi microelettromeccanici (MEMS), i ricercatori hanno creato il primo dispositivo metamateriale con proprietà di emissione a infrarossi che possono essere rapidamente modificate pixel per pixel.

Come riportato nella rivista The Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ottica , il nuovo dispositivo a emissione di infrarossi è costituito da una matrice 8 × 8 di pixel controllabili individualmente, ciascuno misura 120 X 120 micron. Hanno dimostrato il dispositivo metamateriale MEMS creando una "D" visibile con una telecamera a infrarossi.

I ricercatori riferiscono che il loro emettitore a infrarossi può raggiungere una gamma di intensità infrarosse e può visualizzare modelli a velocità fino a 110 kHz, o più di 100, 000 volte al secondo. Il potenziamento della tecnologia potrebbe consentirne l'utilizzo per creare modelli a infrarossi dinamici per l'identificazione di amici o nemici durante il combattimento.

Nessun calore coinvolto

A differenza dei metodi tipicamente utilizzati per ottenere un'emissione infrarossa variabile, la nuova tecnologia emette energie infrarosse sintonizzabili senza alcun cambiamento di temperatura. Poiché il materiale non viene né riscaldato né raffreddato, il dispositivo può essere utilizzato a temperatura ambiente mentre altri metodi richiedono temperature di esercizio elevate. Sebbene gli esperimenti con materiali naturali abbiano avuto successo a temperatura ambiente, sono limitati a intervalli spettrali dell'infrarosso ristretti.

"Oltre a consentire il funzionamento a temperatura ambiente, l'utilizzo di metamateriali semplifica il ridimensionamento in tutta la gamma di lunghezze d'onda infrarosse e nelle frequenze visibili o inferiori, " ha detto Padilla. "Questo perché le proprietà del dispositivo sono ottenute dalla geometria, non dalla natura chimica dei materiali costitutivi che stiamo usando."

Il nuovo emettitore a infrarossi riconfigurabile è costituito da uno strato superiore mobile di metamateriale metallico modellato e uno strato metallico inferiore che rimane fisso. Il dispositivo assorbe fotoni infrarossi e li emette con alta efficienza quando i due strati si toccano ma emette meno energia infrarossa quando i due strati sono separati. Una tensione applicata controlla il movimento dello strato superiore, e la quantità di energia infrarossa emessa dipende dall'esatta tensione applicata.

Emissione infrarossa dinamica

Utilizzando una telecamera a infrarossi, i ricercatori hanno dimostrato di poter modificare dinamicamente il numero di fotoni infrarossi che escono dalla superficie del metamateriale MEMS su una gamma di intensità equivalenti a un cambiamento di temperatura di quasi 20 gradi Celsius.

I ricercatori affermano che potrebbero modificare i modelli di metamateriali utilizzati nello strato superiore per creare diversi pixel infrarossi colorati che sarebbero ciascuno sintonizzabile in intensità. Ciò potrebbe consentire la creazione di pixel a infrarossi simili ai pixel RGB utilizzati in un televisore. Ora stanno lavorando per ampliare la tecnologia realizzando un dispositivo con più pixel, fino a 128 X 128, e aumentando le dimensioni dei pixel.

"In linea di principio, un approccio simile al nostro potrebbe essere utilizzato per creare molti tipi di effetti dinamici da metamateriali riconfigurabili, " ha detto Padilla. "Questo potrebbe essere usato per ottenere un mantello ottico a infrarossi dinamico o un indice di rifrazione negativo nell'infrarosso, Per esempio."