Als wetenschappers dingen proberen te verbeteren, ze wenden zich vaak tot een standaardregel en proberen deze te weerleggen of te verstoren.

Een consortium van onderzoekers die de unieke Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) gebruikten, wilde precies dat doen met de wet van Planck.

de wet van Planck, die de basis vormt van de kwantumtheorie, stelt dat elektromagnetische straling van verwarmde lichamen wordt verdeeld over een breed scala aan golflengten en een breed scala aan hoeken.

Echter, Max Planck merkte zelf op dat de emissie-energieverdeling aanzienlijk zou afwijken van zijn wet als de karakteristieke grootte van het emitterende object kleiner is dan de thermische golflengte (ongeveer 10 micrometer bij kamertemperatuur). Met de komst van micro- en nanotechnologie, het is gemakkelijk om materialen te fabriceren waar de wet van Planck niet geldt.

De onderzoekers wilden de afwijking van de wet van Planck bepalen om deze impact op technologieën op basis van nano- en microgestructureerde geometrieën te begrijpen. Stel je een thermisch opslagmateriaal voor dat elektriciteit omzet in warmte en dit vervolgens uitstraalt naar een fotovoltaïsche cel om de elektriciteit terug te krijgen wanneer dat gewenst is. De stralingsstraler van de thermische opslag zou kunnen worden gemaakt van nanostructuren om de prestaties te maximaliseren.

Een ander voorbeeld is op het gebied van thermo-elektriciteit op basis van nanogeometrie bij hoge temperaturen, waar hoge temperatuur restwarmte wordt omgezet in elektriciteit. Het is belangrijk om de straling van deze nanoschaalkenmerken te begrijpen, straling is de dominante bron van warmtelekkage bij hoge temperaturen en zal leiden tot een vermindering van de efficiëntie van de omzetting van warmte naar elektriciteit.

Ondersteunende industrie

Onderzoek als dit is waar Amerikaanse nationale laboratoria zich op richten. Onderzoekers stellen de vragen en doen de experimenten die de industrie misschien niet in een vroeg stadium kan ondersteunen.

Ook wetenschappelijke gebruiksfaciliteiten zoals de Molecular Foundry helpen bij dit soort onderzoek. The Molecular Foundry is een door het Department of Energy (DOE) gefinancierde nanowetenschappelijke onderzoeksentiteit die gebruikers van over de hele wereld toegang biedt tot geavanceerde expertise, instrumentatie- en modelleringstools in een collaboratieve, multidisciplinaire omgeving.

In dit geval, onderzoekers gebruikten de stralingsmodellen die beschikbaar zijn in de Molecular Foundry om de thermische straling van rechthoekige nanoribbons van silicaglas te modelleren, een polair diëlektrisch materiaal. De modellering werd uitgevoerd met behulp van supercomputers in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een andere DOE-gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab. De experimenten werden uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego.

"Niemand heeft het relatieve gedrag van nanogeometrieën onderzocht, in het bijzonder anisotrope nano-geometrieën - nanostructuren met een rechthoekige dwarsdoorsnede - op deze manier, " zei Ravi Prasher, een van de onderzoekers.

Praktische toepassingen voor deze energieconversie in een vroeg stadium zijn belangrijk voor veel toepassingen van hernieuwbare energie, zoals geconcentreerde zonne-elektriciteitsproductie, ontzilting van water, thermochemische reacties, water opwarmen, en thermische opslag.

de publicatie, "Far-field coherente thermische emissie van polaritonische resonantie in individuele anisotrope nanoribbons, " werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in maart 2019.