Tynd, fleksibel, lysabsorberende materiale til energi- og stealth-applikationer

Gennemsigtige vinduesbelægninger, der holder bygninger og biler kølige på solrige dage. Enheder, der mere end tredobler solcelleeffektivitet. Tynd, lette skjolde, der blokerer termisk detektion. Disse er potentielle applikationer til en tynd, fleksibel, lysabsorberende materiale udviklet af ingeniører ved University of California San Diego.

Materialet, kaldet en næsten perfekt bredbåndsabsorber, absorberer mere end 87 procent af nær-infrarødt lys (1, 200 til 2, 200 nanometer bølgelængder), med 98 procent absorption ved 1, 550 nanometer, bølgelængden for fiberoptisk kommunikation. Materialet er i stand til at absorbere lys fra alle vinkler. Det kan også teoretisk tilpasses til at absorbere bestemte bølgelængder af lys, mens andre lader passere igennem.

Der findes allerede materialer, der "perfekt" absorberer lys, men de er omfangsrige og kan gå i stykker, når de bøjes. De kan heller ikke kontrolleres til kun at absorbere et valgt område af bølgelængder, hvilket er en ulempe for visse applikationer. Tænk, hvis en vinduesbelægning, der bruges til køling, ikke kun blokerede infrarød stråling, men også normale lys- og radiobølger, der sender tv- og radioprogrammer.

Ved at udvikle et nyt nanopartikelbaseret design, et team ledet af professorer Zhaowei Liu og Donald Sirbuly ved UC San Diego Jacobs School of Engineering har skabt en bredbåndsabsorber, der er tynd, fleksibel og indstillelig. Værket blev offentliggjort online den 24. januar i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Dette materiale tilbyder bredbånd, alligevel selektiv absorption, der kunne indstilles til forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum, "Sagde Liu.

Absorberen er afhængig af optiske fænomener kendt som overfladeplasmonresonanser, som er kollektive bevægelser af frie elektroner, der forekommer på overfladen af ​​metal -nanopartikler ved interaktion med visse lysbølgelængder. Metal nanopartikler kan bære en masse frie elektroner, så de udviser stærk overfladeplasmonresonans - men hovedsageligt i synligt lys, ikke i infrarød.

UC San Diego ingeniører begrundede, at hvis de kunne ændre antallet af gratis elektronbærere, de kunne indstille materialets overfladeplasmonresonans til forskellige lysbølgelængder. "Gør dette tal lavere, og vi kan skubbe plasmonresonansen til det infrarøde. Gør tallet højere, med flere elektroner, og vi kan skubbe plasmonresonansen til det ultraviolette område, "Sagde Sirbuly. Problemet med denne tilgang er, at det er svært at gøre i metaller.

For at løse denne udfordring, ingeniører designet og byggede en absorber af materialer, der kunne ændres, eller dopet, at bære en anden mængde frie elektroner:halvledere. Forskere brugte en halvleder kaldet zinkoxid, som har et moderat antal frie elektroner, og kombinerede den med sin metalliske version, aluminium-dopet zinkoxid, som rummer et stort antal frie elektroner - ikke så meget som et egentligt metal, men nok til at give det plasmoniske egenskaber i det infrarøde.

Materialerne blev kombineret og struktureret på en præcis måde ved hjælp af avancerede nanofabrikationsteknologier i Nano3 cleanroom -anlægget ved Qualcomm Institute ved UC San Diego. Materialerne blev deponeret et atomlag ad gangen på et siliciumsubstrat for at skabe en række stående nanorør, hver fremstillet af skiftevis koncentriske ringe af zinkoxid og aluminiumdoteret zinkoxid. Rørene er 1, 730 nanometer høje, 650 til 770 nanometer i diameter, og med mindre end hundrede nanometer afstand. Nanorør -arrayet blev derefter overført fra siliciumsubstratet til et tyndt, elastisk polymer. Resultatet er et tyndt materiale, fleksibel og gennemsigtig i det synlige.

"Der er forskellige parametre, som vi kan ændre i dette design for at skræddersy materialets absorptionsbånd:afstanden mellem rør, forholdet mellem materialer, materialetyper, og elektronbærerkoncentrationen. Vores simuleringer viser, at dette er muligt, "sagde Conor Riley, en nylig nanoengineering ph.d. uddannet fra UC San Diego og den første forfatter til dette værk. Riley er i øjeblikket postdoktor i Sirbulys gruppe.

Det er blot nogle få spændende træk ved dette partikelbaserede design, sagde forskere. Det kan også potentielt overføres til enhver form for substrat og kan skaleres op til store overfladearealer, som bredbåndsdæmpere til store vinduer. "Nanomaterialer er normalt ikke fremstillet i skalaer større end et par centimeter, så dette ville være et stort skridt i den retning, "Sagde Sirbuly.

Teknologien er stadig på udviklingsstadiet. Liu og Sirbulys teams fortsætter med at arbejde sammen om at udforske forskellige materialer, geometrier og designs til at udvikle absorbere, der arbejder ved forskellige bølgelængder af lys til forskellige applikationer.