Quando gli scienziati cercano di migliorare le cose, spesso ricorrono a una regola standard e cercheranno di confutarla o interromperla.

Un consorzio di ricercatori che utilizzano l'esclusiva Molecular Foundry presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha deciso di fare proprio questo con la legge di Planck.

Legge di Planck, che costituisce la base della teoria quantistica, afferma che la radiazione elettromagnetica proveniente da corpi riscaldati è distribuita su un'ampia gamma di lunghezze d'onda e su un'ampia gamma di angoli.

Però, Lo stesso Max Planck notò che la distribuzione dell'energia emettente si discosterebbe significativamente dalla sua legge se la dimensione caratteristica dell'oggetto che emette fosse inferiore alla lunghezza d'onda termica (circa 10 micrometri a temperatura ambiente). Con l'avvento delle micro e nanotecnologie, è facile fabbricare materiali dove la legge di Planck non regge.

I ricercatori hanno deciso di determinare la deviazione dalla legge di Planck per comprendere questo impatto sulle tecnologie basate su geometrie nano e microstrutturate. Immaginate un materiale di accumulo termico che converte l'elettricità in calore e poi la irradia in una cella fotovoltaica per recuperare l'elettricità quando lo si desidera. L'emettitore radiativo dell'accumulo termico potrebbe essere realizzato con nanostrutture per massimizzare le prestazioni.

Un altro esempio è nel settore dei termoelettrici basati sulla nanogeometria ad alta temperatura, dove il calore di scarto ad alta temperatura viene convertito in elettricità. È importante capire la radiazione da queste caratteristiche su scala nanometrica, poiché la radiazione è la fonte dominante di dispersione di calore ad alte temperature e porterà a una riduzione dell'efficienza di conversione del calore in elettricità.

Industria di supporto

La ricerca come questa è ciò su cui si concentrano i laboratori nazionali degli Stati Uniti. I ricercatori fanno le domande e fanno gli esperimenti che l'industria potrebbe non essere in grado di supportare nella fase iniziale.

Anche strutture per utenti scientifici come la Molecular Foundry aiutano in questo tipo di ricerca. La Molecular Foundry è un'entità di ricerca sulle nanoscienze finanziata dal Dipartimento dell'Energia (DOE) che fornisce agli utenti di tutto il mondo l'accesso a competenze all'avanguardia, strumentazione e strumenti di modellazione in modo collaborativo, ambiente multidisciplinare.

In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato i modelli di radiazione disponibili nella fonderia molecolare per modellare la radiazione termica da nanonastri rettangolari di vetro di silice, un materiale dielettrico polare. La modellazione è stata eseguita utilizzando i supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), un'altra struttura per gli utenti DOE situata presso il Berkeley Lab. Gli esperimenti sono stati condotti da ricercatori dell'Università della California, San Diego.

"Nessuno ha esplorato il comportamento relativo delle nano-geometrie, nano-geometrie particolarmente anisotrope - nanostrutture di sezione rettangolare - in questo modo, " ha detto Ravi Prasher, uno dei ricercatori.

Le applicazioni pratiche per questa conversione energetica in fase iniziale sono importanti per molte applicazioni di energia rinnovabile, come la produzione di elettricità solare concentrata, dissalazione dell'acqua, reazioni termochimiche, riscaldamento dell'acqua, e accumulo termico.

La pubblicazione, "Emissione termica coerente in campo lontano dalla risonanza polaritonica in singoli nanonastri anisotropi, " è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura a marzo 2019.