Materialeforskere finder en ny vinkel mod bedre varmeoverførsel

UCLA-materialeforskere har udviklet en klasse af optisk materiale, der styrer, hvordan varmestråling ledes fra et objekt. På samme måde som overlappende persienner dirigerer vinklen af ​​synligt lys, der kommer gennem et vindue, gennembruddet involverer anvendelse af en særlig klasse af materialer, der manipulerer, hvordan termisk stråling bevæger sig gennem sådanne materialer.

For nylig udgivet i Videnskab , forskuddet kunne bruges til at forbedre effektiviteten af ​​energikonverteringssystemer og muliggøre mere effektive registrerings- og detektionsteknologier.

"Vores mål var at vise, at vi effektivt kunne udstråle termisk stråling - den varme alle objekter udsender som elektromagnetiske bølger - over brede bølgelængder i samme retning, " sagde studieleder Aaswath Raman, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli School of Engineering. "Dette fremskridt tilbyder nye muligheder for en række teknologier, der er afhængige af evnen til at kontrollere varmestrømmene i form af termisk stråling. Dette omfatter billeddannelses- og registreringsapplikationer, der er afhængige af termiske kilder eller detektering af dem, samt energianvendelser såsom solvarme, genvinding af spildvarme og radiativ køling, hvor begrænsning af retningsbestemt varmestrøm kan forbedre ydeevnen. "

Hver genstand udsender varme som lys, et fænomen kendt som termisk stråling. Kendte eksempler inkluderer glødetråden i en pære, glødende spoler i en brødrister og endda det naturlige lys fra solen. Dette fænomen kan også opdages på vores hud og i almindelige genstande – lige fra det tøj, du har på, til væggene omkring dig.

På jorden, for genstande ved omgivende temperaturer til moderat varme genstande, meget af den udsendte termiske stråling ligger i den infrarøde del af spektret.

Tidligere, en grundlæggende udfordring havde forhindret materialer i at lede deres varme i bestemte retninger over et bredt spektrum for at sikre, at der udsendes en tilstrækkelig mængde varme. For at løse gåden, forskerne skabte en ny teoretisk ramme ved hjælp af nanofotoniske materialer. For første gang, holdet demonstrerede, at denne nye klasse af effektive materialer tillader brede bånd af termisk stråling at sprede sig over forudbestemte vinkler.

"For at demonstrere dette koncept, vi lagde flere oxidmaterialer, at hver manipulerer infrarødt lys over forskellige bølgelængder, og udstrålede meget af den udsendte varme mod de samme faste vinkler, " sagde undersøgelsens første forfatter Jin Xu, en UCLA materialevidenskab og ingeniørstuderende. "Desuden de oxider vi brugte er almindelige, så forsyninger ville ikke være et problem i produktionen af ​​materialet. "

Klassen af ​​materialer, der leder varme, er kendt som "epsilon-nær-nul" eller ENZ-materialer. Forskerne kalder deres nye materiale for et gradient ENZ-materiale. De demonstrerede to sådanne materialeprøver, der kan udstråle termisk stråling over brede båndbredder til smalle vinkler - fra henholdsvis 60° til 75° og 70° til 85°.

Ved hjælp af et termisk kamera, strålingsvinklerne kunne ses ved at se på siliciumwafers belagt med gradient ENZ-materialerne. Set fra de fleste vinkler, de opvarmede skiver så ud til at være kolde, ligner hvordan polerede metaller som aluminium ser ud under et termisk kamera. Imidlertid, når det ses i de designede specifikke vinkler, de højere varme signaturer kunne ses på diskene.