Een nieuw herconfigureerbaar apparaat dat patronen van thermisch infrarood licht op een volledig controleerbare manier uitzendt, zou het ooit mogelijk kunnen maken om afvalwarmte op infrarode golflengten te verzamelen en om te zetten in bruikbare energie.

De nieuwe technologie kan worden gebruikt om thermofotovoltaïsche energie te verbeteren, een soort zonnecel die gebruik maakt van infrarood licht, of warmte, in plaats van het zichtbare licht dat wordt geabsorbeerd door traditionele zonnecellen. Wetenschappers hebben gewerkt aan het maken van thermofotovoltaïsche cellen die praktisch genoeg zijn om de warmte-energie te oogsten die in warme gebieden wordt aangetroffen, zoals rond ovens en ovens die worden gebruikt door de glasindustrie. Ze kunnen ook worden gebruikt om warmte afkomstig van voertuigmotoren om te zetten in energie om een ​​auto-accu op te laden, bijvoorbeeld.

"Omdat de infrarode energie-emissie, of intensiteit, is controleerbaar, deze nieuwe infraroodstraler zou een op maat gemaakte manier kunnen bieden om energie uit warmte te verzamelen en te gebruiken, " zei Willie J. Padilla van Duke University, Noord Carolina. "Er is veel interesse in het benutten van restwarmte, en onze technologie zou dit proces kunnen verbeteren."

Het nieuwe apparaat is gebaseerd op metamaterialen, synthetische materialen die exotische eigenschappen vertonen die niet verkrijgbaar zijn bij natuurlijke materialen. Padilla en promovendus Xinyu Liu gebruikten een metamateriaal dat is ontworpen om infrarode golflengten met zeer hoge efficiëntie te absorberen en uit te zenden. Door het te combineren met de elektronisch gestuurde beweging die beschikbaar is via micro-elektromechanische systemen (MEMS), de onderzoekers creëerden het eerste metamateriaalapparaat met infraroodemissie-eigenschappen die snel pixel-voor-pixel kunnen worden gewijzigd.

Zoals gerapporteerd in het tijdschrift van The Optical Society voor onderzoek met hoge impact, optiek , het nieuwe infrarood-emitterende apparaat bestaat uit een 8 × 8-array van individueel regelbare pixels, elk met een afmeting van 120 x 120 micron. Ze demonstreerden het MEMS-metamateriaalapparaat door een "D" te maken die zichtbaar is met een infraroodcamera.

De onderzoekers melden dat hun infraroodzender een reeks infraroodintensiteiten kan bereiken en patronen kan weergeven met snelheden tot 110 kHz, of meer dan 100, 000 keer per seconde. Door de technologie op te schalen, kan deze worden gebruikt om dynamische infraroodpatronen te creëren voor identificatie van vrienden of vijanden tijdens gevechten.

Geen warmte bij betrokken

In tegenstelling tot methoden die doorgaans worden gebruikt om variabele infraroodemissie te bereiken, de nieuwe technologie zendt afstembare infraroodenergieën uit zonder enige verandering in temperatuur. Omdat het materiaal niet wordt verwarmd of gekoeld, het apparaat kan bij kamertemperatuur worden gebruikt, terwijl andere methoden hoge bedrijfstemperaturen vereisen. Hoewel experimenten met natuurlijke materialen bij kamertemperatuur succesvol zijn geweest, ze zijn beperkt tot smalle infrarood spectrale bereiken.

"Naast de mogelijkheid om op kamertemperatuur te werken, het gebruik van metamaterialen maakt het eenvoudig om te schalen in het hele infraroodgolflengtebereik en in de zichtbare of lagere frequenties, " zei Padilla. "Dit komt omdat de eigenschappen van het apparaat worden bereikt door de geometrie, niet door de chemische aard van de samenstellende materialen die we gebruiken."

De nieuwe herconfigureerbare infraroodzender bestaat uit een beweegbare bovenlaag van metamateriaal met een patroon en een metalen onderlaag die stationair blijft. Het apparaat absorbeert infraroodfotonen en zendt ze met hoge efficiëntie uit wanneer de twee lagen elkaar raken, maar straalt minder infraroodenergie uit wanneer de twee lagen uit elkaar zijn. Een aangelegde spanning regelt de beweging van de toplaag, en de hoeveelheid uitgezonden infraroodenergie hangt af van de exacte toegepaste spanning.

Dynamische infrarood emissie

Met behulp van een infraroodcamera, de onderzoekers toonden aan dat ze het aantal infraroodfotonen dat van het oppervlak van het MEMS-metamateriaal komt dynamisch konden wijzigen over een reeks intensiteiten die overeenkomen met een temperatuurverandering van bijna 20 graden Celsius.

De onderzoekers zeggen dat ze de metamateriaalpatronen die in de bovenste laag worden gebruikt, kunnen wijzigen om verschillende gekleurde infraroodpixels te creëren die elk in intensiteit kunnen worden aangepast. Hierdoor kunnen infraroodpixels worden gemaakt die vergelijkbaar zijn met de RGB-pixels die in een tv worden gebruikt. Ze werken nu aan het opschalen van de technologie door een apparaat te maken met meer pixels - tot wel 128 x 128 - en de grootte van de pixels te vergroten.

"In principe, een benadering vergelijkbaar met de onze zou kunnen worden gebruikt om vele soorten dynamische effecten te creëren uit herconfigureerbare metamaterialen, "zei Padilla. "Dit kan worden gebruikt om een ​​dynamische infrarood optische mantel of een negatieve brekingsindex in het infrarood te bereiken, bijvoorbeeld."