Een nieuw nanofotonisch materiaal heeft records gebroken voor stabiliteit bij hoge temperaturen, wat mogelijk een efficiëntere elektriciteitsproductie mogelijk maakt en een verscheidenheid aan nieuwe mogelijkheden opent voor de beheersing en omzetting van thermische straling.

Het materiaal is ontwikkeld door een team van chemische en materiaalwetenschappelijke ingenieurs onder leiding van de Universiteit van Michigan. Het regelt de stroom van infraroodstraling en is stabiel bij temperaturen van 2000 graden Fahrenheit in lucht, een bijna tweevoudige verbetering ten opzichte van bestaande benaderingen.

Het materiaal gebruikt een fenomeen dat destructieve interferentie wordt genoemd om infrarode energie te reflecteren en kortere golflengten door te laten. Dit kan mogelijk de warmteverspilling in thermofotovoltaïsche cellen verminderen, die warmte omzetten in elektriciteit maar geen infraroodenergie kunnen gebruiken, door infraroodgolven terug in het systeem te reflecteren. Het materiaal kan ook nuttig zijn in optische fotovoltaïsche energie, thermische beeldvorming, coatings voor omgevingsbarrières, detectie, camouflage van infraroodbewakingsapparatuur en andere toepassingen.

"Het is vergelijkbaar met de manier waarop vlindervleugels golfinterferentie gebruiken om hun kleur te krijgen. Vlindervleugels zijn gemaakt van kleurloze materialen, maar die materialen zijn gestructureerd en van een patroon voorzien op een manier die sommige golflengten van wit licht absorbeert maar andere weerkaatst, waardoor het uiterlijk van kleur", zegt Andrej Lenert, UM-assistent-professor chemische technologie en co-corresponderende auteur van de studie in Nature Nanotechnology .

"Dit materiaal doet iets soortgelijks met infraroodenergie. Het uitdagende deel is het voorkomen van afbraak van die kleurproducerende structuur onder hoge hitte."

De aanpak wijkt sterk af van de huidige staat van technische warmtestralers, die doorgaans schuim en keramiek gebruiken om infraroodemissies te beperken. Deze materialen zijn stabiel bij hoge temperaturen, maar bieden zeer beperkte controle over welke golflengten ze doorlaten. Nanofotonica zou veel meer afstembare controle kunnen bieden, maar eerdere inspanningen zijn niet stabiel geweest bij hoge temperaturen, vaak smeltend of oxiderend (het proces dat roest vormt op ijzer). Bovendien behouden veel nanofotonische materialen hun stabiliteit alleen in vacuüm.

Het nieuwe materiaal werkt aan het oplossen van dat probleem en verbetert het vorige record voor hittebestendigheid tussen luchtstabiele fotonische kristallen met meer dan 900 graden Fahrenheit in open lucht. Bovendien is het materiaal afstembaar, waardoor onderzoekers het kunnen aanpassen om energie aan te passen voor een breed scala aan potentiële toepassingen. Het onderzoeksteam voorspelde dat het toepassen van dit materiaal op bestaande TPV's de efficiëntie met 10% zal verhogen en is van mening dat met verdere optimalisatie veel grotere efficiëntiewinsten mogelijk zullen zijn.

Het team ontwikkelde de oplossing door expertise op het gebied van chemische technologie en materiaalwetenschap te combineren. Het chemisch engineeringteam van Lenert begon met het zoeken naar materialen die niet zouden mengen, zelfs niet als ze zouden smelten.

"Het doel is om materialen te vinden die mooie, heldere lagen behouden die het licht reflecteren op de manier die we willen, zelfs als het erg heet wordt," zei Lenert. "Dus zochten we naar materialen met heel verschillende kristalstructuren, omdat ze de neiging hebben om niet te mengen."

Ze veronderstelden dat een combinatie van steenzout en perovskiet, een mineraal gemaakt van calcium- en titaniumoxiden, zou passen. Medewerkers van U-M en de Universiteit van Virginia voerden supercomputersimulaties uit om te bevestigen dat de combinatie een goede gok was.

John Heron, co-corresponderende auteur van de studie en een assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de UM, en Matthew Webb, een doctoraalstudent in materiaalkunde en techniek, legden het materiaal vervolgens zorgvuldig neer met behulp van gepulseerde laserdepositie om nauwkeurige lagen met gladde interfaces. Om het materiaal nog duurzamer te maken, gebruikten ze oxiden in plaats van conventionele fotonische materialen; de oxiden kunnen nauwkeuriger worden gelaagd en zullen minder snel worden afgebroken bij hoge temperaturen.

"In eerder werk oxideerden traditionele materialen onder hoge hitte, waardoor ze hun ordelijke gelaagde structuur verloren", zei Heron. "Maar als je begint met oxiden, heeft die afbraak in wezen al plaatsgevonden. Dat zorgt voor meer stabiliteit in de uiteindelijke gelaagde structuur."

Na testen te hebben bevestigd dat het materiaal werkte zoals ontworpen, gebruikte Sean McSherry, eerste auteur van de studie en een doctoraalstudent in materiaalkunde en techniek aan de U-M, computermodellering om honderden andere combinaties van materialen te identificeren die waarschijnlijk ook zullen werken. Hoewel de commerciële implementatie van het materiaal dat in het onderzoek is getest waarschijnlijk nog jaren verwijderd is, opent de kernontdekking een nieuwe onderzoekslijn naar een verscheidenheid aan andere nanofotonische materialen die toekomstige onderzoekers zouden kunnen helpen bij het ontwikkelen van een reeks nieuwe materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen. + Verder verkennen

Nieuwe nanofotonische coating kan helpen bij thermisch beheer en contra-surveillance-inspanningen