Transparante raamcoatings die gebouwen en auto's koel houden op zonnige dagen. Apparaten die de efficiëntie van zonnecellen meer dan verdrievoudigen. Dun, lichtgewicht schilden die thermische detectie blokkeren. Dit zijn mogelijke toepassingen voor een dunne, flexibel, lichtabsorberend materiaal ontwikkeld door ingenieurs van de University of California San Diego.

Het materiaal, een bijna perfecte breedbandabsorbeerder genoemd, absorbeert meer dan 87 procent van het nabij-infraroodlicht (1, 200 tot 2, golflengten van 200 nanometer), met 98 procent absorptie bij 1, 550 nanometer, de golflengte voor glasvezelcommunicatie. Het materiaal is in staat om vanuit elke hoek licht te absorberen. Het kan theoretisch ook worden aangepast om bepaalde golflengten van licht te absorberen terwijl anderen erdoorheen gaan.

Materialen die "perfect" licht absorberen bestaan ​​al, maar ze zijn omvangrijk en kunnen breken wanneer ze worden gebogen. Ze kunnen ook niet worden gecontroleerd om alleen een geselecteerd bereik van golflengten te absorberen, wat een nadeel is voor bepaalde toepassingen. Stel je voor dat een raamcoating die wordt gebruikt voor koeling niet alleen infraroodstraling blokkeert, maar ook normaal licht en radiogolven die televisie- en radioprogramma's uitzenden.

Door een nieuw op nanodeeltjes gebaseerd ontwerp te ontwikkelen, een team onder leiding van professoren Zhaowei Liu en Donald Sirbuly van de UC San Diego Jacobs School of Engineering heeft een breedbandabsorbeerder gemaakt die dun is, flexibel en afstembaar. Het werk werd online gepubliceerd op 24 januari in Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Dit materiaal biedt breedband, maar selectieve absorptie die kan worden afgestemd op verschillende delen van het elektromagnetische spectrum, ' zei Liu.

De absorber vertrouwt op optische fenomenen die bekend staan ​​als oppervlakteplasmonresonanties, dit zijn collectieve bewegingen van vrije elektronen die optreden op het oppervlak van metalen nanodeeltjes bij interactie met bepaalde golflengten van licht. Metalen nanodeeltjes kunnen veel vrije elektronen bevatten, dus vertonen ze sterke oppervlakteplasmonresonantie, maar vooral in zichtbaar licht, niet in het infrarood.

Ingenieurs van UC San Diego redeneerden dat als ze het aantal vrije elektronendragers konden veranderen, ze konden de oppervlakte-plasmonresonantie van het materiaal afstemmen op verschillende golflengten van licht. "Maak dit aantal lager, en we kunnen de plasmonresonantie naar het infrarood duwen. Maak het getal hoger, met meer elektronen, en we kunnen de plasmonresonantie naar het ultraviolette gebied duwen, " Zei Sirbuly. Het probleem met deze aanpak is dat het moeilijk is om te doen in metalen.

Om deze uitdaging aan te gaan, ingenieurs hebben een absorber ontworpen en gebouwd van materialen die kunnen worden aangepast, of gedoteerd, om een ​​andere hoeveelheid vrije elektronen te dragen:halfgeleiders. Onderzoekers gebruikten een halfgeleider genaamd zinkoxide, die een matig aantal vrije elektronen heeft, en combineerde het met zijn metalen versie, met aluminium gedoteerd zinkoxide, die een groot aantal vrije elektronen herbergt - niet zoveel als een echt metaal, maar genoeg om het plasmonische eigenschappen in het infrarood te geven.

De materialen werden op een precieze manier gecombineerd en gestructureerd met behulp van geavanceerde nanofabricagetechnologieën in de Nano3-cleanroomfaciliteit van het Qualcomm Institute aan de UC San Diego. De materialen werden één atomaire laag per keer op een siliciumsubstraat afgezet om een ​​reeks staande nanobuisjes te creëren, elk gemaakt van afwisselende concentrische ringen van zinkoxide en met aluminium gedoteerd zinkoxide. De buizen zijn 1, 730 nanometer lang, 650 tot 770 nanometer in diameter, en op minder dan honderd nanometer afstand van elkaar. De nanobuis-array werd vervolgens overgebracht van het siliciumsubstraat naar een dunne, elastisch polymeer. Het resultaat is een materiaal dat dun is, flexibel en transparant in het zichtbare.

"Er zijn verschillende parameters die we in dit ontwerp kunnen veranderen om de absorptieband van het materiaal aan te passen:de spleetgrootte tussen buizen, de verhouding van de materialen, de soorten materialen, en de elektronendragerconcentratie. Onze simulaties laten zien dat dit mogelijk is, " zei Conor Riley, een recente nanoengineering Ph.D. afgestudeerd aan UC San Diego en de eerste auteur van dit werk. Riley is momenteel een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Sirbuly.

Dat zijn slechts een paar opwindende kenmerken van dit op deeltjes gebaseerde ontwerp, aldus onderzoekers. Het is ook potentieel overdraagbaar op elk type substraat en kan worden opgeschaald om apparaten met een groot oppervlak te maken, zoals breedbandabsorbers voor grote ramen. "Nanomaterialen worden normaal gesproken niet gefabriceerd op schalen groter dan een paar centimeter, dus dit zou een grote stap in die richting zijn, ' zei Sirbuly.

De technologie bevindt zich nog in de ontwikkelingsfase. De teams van Liu en Sirbuly blijven samenwerken om verschillende materialen te verkennen, geometrieën en ontwerpen om absorbers te ontwikkelen die werken bij verschillende golflengten van licht voor verschillende toepassingen.