Le immagini al microscopio non mostrano alcun degrado distinguibile prima e dopo il trattamento termico del materiale. Credito:Andrej Lenert, Università del Michigan
Un nuovo materiale nanofotonico ha battuto i record di stabilità alle alte temperature, inaugurando potenzialmente una produzione di elettricità più efficiente e aprendo una serie di nuove possibilità nel controllo e nella conversione della radiazione termica.
Sviluppato da un team di ingegneri chimici e scientifici guidato dall'Università del Michigan, il materiale controlla il flusso della radiazione infrarossa ed è stabile a temperature di 2.000 gradi Fahrenheit nell'aria, un miglioramento quasi doppio rispetto agli approcci esistenti.
Il materiale utilizza un fenomeno chiamato interferenza distruttiva per riflettere l'energia infrarossa lasciando passare lunghezze d'onda più corte. Ciò potrebbe potenzialmente ridurre lo spreco di calore nelle celle termofotovoltaiche, che convertono il calore in elettricità ma non possono utilizzare l'energia infrarossa, riflettendo le onde infrarosse nel sistema. Il materiale potrebbe anche essere utile nel fotovoltaico ottico, nell'imaging termico, nei rivestimenti di barriera ambientale, nel rilevamento, nel mimetismo dai dispositivi di sorveglianza a infrarossi e in altre applicazioni.
"È simile al modo in cui le ali delle farfalle usano l'interferenza delle onde per ottenere il loro colore. Le ali delle farfalle sono costituite da materiali incolori, ma quei materiali sono strutturati e modellati in modo da assorbire alcune lunghezze d'onda della luce bianca ma rifletterne altre, producendo l'aspetto di colore", ha affermato Andrej Lenert, assistente professore di ingegneria chimica e co-autore corrispondente dello studio in Nature Nanotechnology .
"Questo materiale fa qualcosa di simile con l'energia a infrarossi. La parte più difficile è stata prevenire la rottura di quella struttura che produce colore a temperature elevate".
L'approccio è un importante allontanamento dallo stato attuale degli emettitori termici ingegnerizzati, che in genere utilizzano schiume e ceramiche per limitare le emissioni di infrarossi. Questi materiali sono stabili alle alte temperature ma offrono un controllo molto limitato su quali lunghezze d'onda lasciano passare. La nanofotonica potrebbe offrire un controllo molto più sintonizzabile, ma gli sforzi passati non sono stati stabili alle alte temperature, spesso fondendo o ossidandosi (il processo che forma la ruggine sul ferro). Inoltre, molti materiali nanofotonici mantengono la loro stabilità solo nel vuoto.
Il nuovo materiale lavora per risolvere questo problema, battendo il precedente record di resistenza al calore tra i cristalli fotonici stabili all'aria di oltre 900 gradi Fahrenheit all'aria aperta. Inoltre, il materiale è sintonizzabile, consentendo ai ricercatori di modificarlo per modificare l'energia per un'ampia varietà di potenziali applicazioni. Il team di ricerca ha previsto che l'applicazione di questo materiale ai TPV esistenti aumenterà l'efficienza del 10% e ritiene che saranno possibili guadagni di efficienza molto maggiori con un'ulteriore ottimizzazione.
Il team ha sviluppato la soluzione combinando competenze di ingegneria chimica e scienza dei materiali. Il team di ingegneria chimica di Lenert ha iniziato cercando materiali che non si sarebbero mescolati anche se avessero iniziato a fondersi.
"L'obiettivo è trovare materiali che mantengano strati piacevoli e nitidi che riflettano la luce nel modo desiderato, anche quando le cose diventano molto calde", ha affermato Lenert. "Quindi abbiamo cercato materiali con strutture cristalline molto diverse, perché tendono a non volersi mescolare."
Hanno ipotizzato che una combinazione di salgemma e perovskite, un minerale composto da ossidi di calcio e titanio, si adattasse al conto. I collaboratori dell'UM e dell'Università della Virginia hanno eseguito simulazioni di supercomputer per confermare che la combinazione era una buona scommessa.
John Heron, co-autore corrispondente dello studio e assistente professore di scienze dei materiali e ingegneria presso l'UM, e Matthew Webb, uno studente di dottorato in scienze dei materiali e ingegneria, hanno quindi depositato con cura il materiale utilizzando la deposizione laser pulsata per ottenere strati precisi con lisci interfacce. Per rendere il materiale ancora più durevole, hanno utilizzato ossidi anziché materiali fotonici convenzionali; gli ossidi possono essere stratificati in modo più preciso e hanno meno probabilità di degradarsi a temperature elevate.
"Nel lavoro precedente, i materiali tradizionali si ossidavano a temperature elevate, perdendo la loro struttura a strati ordinati", ha detto Heron. "Ma quando inizi con gli ossidi, quella degradazione è sostanzialmente già avvenuta. Ciò produce una maggiore stabilità nella struttura a strati finale."
Dopo che i test hanno confermato che il materiale funzionava come previsto, Sean McSherry, primo autore dello studio e dottorando in scienze dei materiali e ingegneria presso l'UM, ha utilizzato la modellazione al computer per identificare centinaia di altre combinazioni di materiali che probabilmente funzioneranno. Mentre l'implementazione commerciale del materiale testato nello studio è probabilmente lontana anni, la scoperta fondamentale apre una nuova linea di ricerca su una varietà di altri materiali nanofotonici che potrebbero aiutare i futuri ricercatori a sviluppare una gamma di nuovi materiali per una varietà di applicazioni. + Esplora ulteriormente
