UCLA-materiaalwetenschappers hebben een klasse optisch materiaal ontwikkeld die bepaalt hoe warmtestraling van een object wordt gestuurd. Vergelijkbaar met de manier waarop overlappende jaloezieën de hoek richten van zichtbaar licht dat door een raam komt, de doorbraak omvat het gebruik van een speciale klasse materialen die manipuleert hoe thermische straling door dergelijke materialen reist.

Onlangs gepubliceerd in Wetenschap , het voorschot zou kunnen worden gebruikt om de efficiëntie van energieconversiesystemen te verbeteren en effectievere detectie- en detectietechnologieën mogelijk te maken.

"Ons doel was om te laten zien dat we thermische straling - de warmte die alle objecten als elektromagnetische golven uitstralen - effectief over brede golflengten in dezelfde richting kunnen stralen, " zei studieleider Aaswath Raman, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering. "Deze vooruitgang biedt nieuwe mogelijkheden voor een reeks technologieën die afhankelijk zijn van het vermogen om de warmtestromen in de vorm van thermische straling te regelen. Dit omvat beeldvormings- en detectietoepassingen die afhankelijk zijn van thermische bronnen of deze detecteren, evenals energietoepassingen zoals zonneverwarming, afvalwarmteterugwinning en stralingskoeling, waar het beperken van de richting van de warmtestroom de prestaties kan verbeteren. "

Elk object straalt warmte uit als licht, een fenomeen dat bekend staat als thermische straling. Bekende voorbeelden zijn de gloeidraad in een gloeilamp, gloeiende spoelen in een broodrooster en zelfs het natuurlijke licht van de zon. Dit fenomeen kan ook worden waargenomen op onze huid en in gewone voorwerpen - van de kleding die je draagt ​​tot de muren om je heen.

Op aarde, voor objecten bij omgevingstemperatuur tot matig hete objecten, een groot deel van de uitgezonden warmtestraling bevindt zich in het infrarode deel van het spectrum.

Eerder, een fundamentele uitdaging verhinderde dat materialen hun warmte in specifieke richtingen over een breed spectrum richten om ervoor te zorgen dat er voldoende warmte wordt afgegeven. Om de puzzel op te lossen, de onderzoekers creëerden een nieuw theoretisch kader met behulp van nanofotonische materialen. Voor de eerste keer, het team toonde aan dat deze nieuwe klasse van effectieve materialen het mogelijk maakt om brede banden van thermische straling te verspreiden over vooraf bepaalde hoeken.

"Om dit concept te demonstreren, we hebben verschillende oxidematerialen gelaagd, die elk infrarood licht manipuleren over verschillende golflengten, en straalde veel van de uitgestraalde warmte naar dezelfde vaste hoeken, " zei de eerste auteur van de studie, Jin Xu, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek van de UCLA. "Aanvullend, de oxiden die we gebruikten komen veel voor, dus bevoorrading zou geen probleem zijn bij de productie van het materiaal. "

De klasse van materialen die warmte leidt, staat bekend als "epsilon-near-zero" of ENZ-materialen. De onderzoekers noemen hun nieuwe materiaal een gradiënt ENZ-materiaal. Ze demonstreerden twee van dergelijke materiaalmonsters die thermische straling over brede bandbreedtes kunnen uitstralen naar smalle hoeken van respectievelijk 60° tot 75° en 70° tot 85°.

Met behulp van een warmtebeeldcamera, de stralingshoeken waren te zien bij siliciumwafels bedekt met de gradiënt ENZ-materialen. Gezien vanuit de meeste hoeken, de verwarmde schijven leken koud te zijn, vergelijkbaar met hoe gepolijste metalen zoals aluminium er onder een thermische camera uitzien. Echter, wanneer bekeken op de ontworpen specifieke hoeken, de hogere hitte-signaturen waren op de schijven te zien.