Natuurkundigen hebben radicaal nieuwe eigenschappen ontdekt in een nanomateriaal dat nieuwe mogelijkheden opent voor zeer efficiënte thermofotovoltaïsche cellen, die op een dag warmte in het donker zou kunnen oogsten en omzetten in elektriciteit.

Het onderzoeksteam van de Australian National University (ARC Center of Excellence CUDOS) en de University of California Berkeley demonstreerde een nieuw kunstmatig materiaal, of metamateriaal, die op een ongebruikelijke manier gloeit bij verhitting.

De bevindingen kunnen een revolutie teweegbrengen in de ontwikkeling van cellen die stralingswarmte omzetten in elektriciteit, bekend als thermofotovoltaïsche cellen.

"Thermofotovoltaïsche cellen hebben het potentieel om veel efficiënter te zijn dan zonnecellen, " zei Dr. Sergey Kruk van de ANU Research School of Physics and Engineering.

"Ons metamateriaal overwint verschillende obstakels en kan helpen om het potentieel van thermofotovoltaïsche cellen te ontsluiten."

Er is voorspeld dat thermofotovoltaïsche cellen meer dan twee keer efficiënter zijn dan conventionele zonnecellen. Ze hebben geen direct zonlicht nodig om elektriciteit op te wekken, en in plaats daarvan warmte uit hun omgeving kunnen oogsten in de vorm van infraroodstraling.

Ze kunnen ook worden gecombineerd met een brander om stroom op aanvraag te produceren of kunnen de warmte die wordt uitgestraald door hete motoren recyclen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het metamateriaal van het team, gemaakt van minuscule nanoscopische structuren van goud en magnesiumfluoride, straalt warmte uit in bepaalde richtingen. De geometrie van het metamateriaal kan ook worden aangepast om straling af te geven in een specifiek spectraal bereik, in tegenstelling tot standaardmaterialen die hun warmte in alle richtingen afgeven als een breed scala aan infrarode golflengten. Dit maakt het ideaal voor gebruik als emitter in combinatie met een thermofotovoltaïsche cel.

Het project begon toen Dr. Kruk voorspelde dat het nieuwe metamateriaal deze verrassende eigenschappen zou hebben. Het ANU-team werkte vervolgens samen met wetenschappers van de University of California Berkeley, die een unieke expertise hebben in het vervaardigen van dergelijke materialen.

"Om dit materiaal te fabriceren opereerde het Berkeley-team op het snijvlak van technologische mogelijkheden, ' zei dokter Kruk.

"De grootte van de afzonderlijke bouwstenen van het metamateriaal is zo klein dat we er meer dan twaalfduizend op de doorsnede van een mensenhaar zouden kunnen passen."

De sleutel tot het opmerkelijke gedrag van het metamateriaal is zijn nieuwe fysieke eigenschap, magnetische hyperbolische dispersie. Dispersie beschrijft de interacties van licht met materialen en kan worden gevisualiseerd als een driedimensionaal oppervlak dat aangeeft hoe elektromagnetische straling zich in verschillende richtingen voortplant. Voor natuurlijke materialen, zoals glas of kristallen hebben de dispersieoppervlakken eenvoudige vormen, bolvormig of ellipsvormig.

De verspreiding van het nieuwe metamateriaal is drastisch anders en neemt hyperbolische vorm aan. Dit komt voort uit de opmerkelijk sterke interacties van het materiaal met de magnetische component van licht.

De efficiëntie van thermovoltaïsche cellen op basis van het metamateriaal kan verder worden verbeterd als de zender en de ontvanger slechts een nanoscopische opening tussen hen hebben. In deze configuratie, stralingswarmteoverdracht tussen hen kan meer dan tien keer efficiënter zijn dan tussen conventionele materialen.