Průlomový nanofotonický materiál mění teplo na elektřinu
Nový nanofotonický materiál vyvinutý týmem chemických a materiálových inženýrů pod vedením Michiganské univerzity překonal rekordy v oblasti vysokoteplotní stability. Mohlo by to vést k účinnější výrobě elektřiny a otevřít řadu nových možností v oblasti řízení a přeměny tepelného záření. Materiál řídí tok infračerveného záření a je stabilní na vzduchu při teplotách kolem 1 100 °C, což je téměř dvojnásobné zlepšení oproti stávajícím přístupům.
Materiál využívá jevu zvaného destruktivní interference, který odráží infračervenou energii a zároveň propouští kratší vlnové délky. To by mohlo potenciálně snížit tepelné ztráty u termofotovoltaických článků, které přeměňují teplo na elektřinu, ale nemohou využívat infračervenou energii, takže infračervené vlny se odrážejí zpět do systému. Materiál by mohl být užitečný také v optické fotovoltaice, termálním zobrazování, ekologických nátěrech, snímání, maskování infračervených sledovacích zařízení a dalších aplikacích, jak uvádí server The Brighter.
„Je to podobné, jako když motýlí křídla využívají vlnovou interferenci k získání barvy. Motýlí křídla se skládají z bezbarvých materiálů, ale jsou strukturována a vzorována tak, že absorbují některé vlnové délky bílého světla, ale jiné odrážejí, čímž vytvářejí dojem barvy,“ řekl Andrei Lenert, odborný asistent chemického inženýrství na Michiganské univerzitě a spoluautor studie publikované v časopise Nature Photonics. „Tento materiál dělá něco podobného s infračervenou energií.“
Je to výrazný odklon od současných technických tepelných zářičů, které obvykle používají pěny a keramiku k omezení infračervených emisí. Tyto materiály jsou stabilní při vysokých teplotách, ale nabízejí velmi omezenou kontrolu nad tím, jaké vlnové délky přenášejí. Nanofotonika by mohla nabídnout mnohem lepší laditelné ovládání, ale předchozí snahy selhaly při vysokých teplotách, kdy se materiály často tavily nebo oxidovaly. Mnoho nanofotonických materiálů si navíc zachovává stabilitu pouze ve vakuu.
Nový materiál by měl tento problém vyřešit a překonat dosavadní rekord v odolnosti vůči teplu mezi fotonickými krystaly stabilními na vzduchu o více než 480 stupňů Celsia na volném prostranství. Kromě toho je tento materiál laditelný, což výzkumníkům umožňuje upravovat jeho energii pro širokou škálu potenciálních aplikací. Výzkumný tým předpokládá, že použití tohoto materiálu na stávající termofotovoltaiku zvýší účinnost o 10 %, a věří, že další optimalizací lze dosáhnout mnohem vyšší účinnosti.
Lenertův tým začal hledat materiály, které by se nesmíchaly, ani kdyby se začaly tavit. Muselo jít o materiály s velmi odlišnou krystalovou strukturou, protože ty se obvykle nemíchají. Předpokládali, že vhodná by mohla být kombinace kamenné soli a perovskitu, minerálu z oxidů vápníku a titanu. Simulace provedené na superpočítačích potvrdily, že tato kombinace je vhodná.
Výzkumníci pak materiál pečlivě nanesli pomocí pulzního laserového nanášení, aby dosáhli přesných vrstev s hladkými rozhraními. Aby byl materiál ještě odolnější, použili místo běžných fotonických materiálů oxidy, které lze vrstvit přesněji a které se při vysokých teplotách méně kazí. Poté, co testování potvrdilo, že materiál funguje, jak má, použil Sean McSherry, první autor studie, počítačové modelování k identifikaci stovek dalších kombinací materiálů, které by také mohly fungovat.
Zdroj: redakce, thebrighterside.news, nature.com