Varmebestandigt nanofotonisk materiale kan hjælpe med at omdanne varme til elektricitet

Et nyt nanofotonisk materiale har slået rekorder for stabilitet ved høje temperaturer, hvilket potentielt har indvarslet mere effektiv elproduktion og åbnet en række nye muligheder inden for kontrol og konvertering af termisk stråling.

Udviklet af et team af kemiske og materialevidenskabelige ingeniører ledet af University of Michigan, styrer materialet strømmen af ​​infrarød stråling og er stabilt ved temperaturer på 2.000 grader Fahrenheit i luften, en næsten dobbelt forbedring i forhold til eksisterende tilgange.

Materialet bruger et fænomen kaldet destruktiv interferens til at reflektere infrarød energi, mens det lader kortere bølgelængder passere igennem. Dette kan potentielt reducere varmespild i termofotovoltaiske celler, som omdanner varme til elektricitet, men ikke kan bruge infrarød energi, ved at reflektere infrarøde bølger tilbage i systemet. Materialet kan også være nyttigt i optisk fotovoltaik, termisk billeddannelse, miljøbarrierebelægninger, sensing, camouflage fra infrarøde overvågningsenheder og andre applikationer.

"Det ligner den måde, sommerfuglevinger bruger bølgeinterferens til at få deres farve. Sommerfuglevinger er lavet af farveløse materialer, men disse materialer er struktureret og mønstret på en måde, der absorberer nogle bølgelængder af hvidt lys, men reflekterer andre, hvilket giver udseendet af farve," sagde Andrej Lenert, UM-assistentprofessor i kemiteknik og co-korresponderende forfatter til undersøgelsen i Nature Nanotechnology .

"Dette materiale gør noget lignende med infrarød energi. Den udfordrende del har været at forhindre nedbrydning af den farveproducerende struktur under høj varme."

Tilgangen er en væsentlig afvigelse fra den nuværende tilstand af konstruerede termiske emittere, som typisk bruger skum og keramik til at begrænse infrarøde emissioner. Disse materialer er stabile ved høje temperaturer, men giver meget begrænset kontrol over, hvilke bølgelængder de slipper igennem. Nanofotonik kunne tilbyde meget mere justerbar kontrol, men tidligere indsats har ikke været stabil ved høje temperaturer, ofte smeltende eller oxiderende (den proces, der danner rust på jern). Derudover bevarer mange nanofotoniske materialer kun deres stabilitet i et vakuum.

Det nye materiale arbejder på at løse dette problem, og overgår den tidligere rekord for varmemodstand blandt luftstabile fotoniske krystaller med mere end 900 grader Fahrenheit i fri luft. Derudover er materialet justerbart, hvilket gør det muligt for forskere at justere det for at modificere energi til en lang række potentielle anvendelser. Forskerholdet forudsagde, at anvendelse af dette materiale på eksisterende TPV'er vil øge effektiviteten med 10 % og mener, at meget større effektivitetsgevinster vil være mulige med yderligere optimering.

Holdet udviklede løsningen ved at kombinere kemiteknik og materialevidenskabsekspertise. Lenerts kemiingeniørteam begyndte med at lede efter materialer, der ikke ville blandes, selvom de begyndte at smelte.

"Målet er at finde materialer, der vil bevare pæne, sprøde lag, der reflekterer lyset på den måde, vi ønsker, selv når tingene bliver meget varme," sagde Lenert. "Så vi ledte efter materialer med meget forskellige krystalstrukturer, fordi de har en tendens til ikke at ville blandes."

De antog, at en kombination af stensalt og perovskit, et mineral lavet af calcium- og titaniumoxider, passer til regningen. Samarbejdspartnere ved U-M og University of Virginia kørte supercomputersimuleringer for at bekræfte, at kombinationen var et godt bud.

John Heron, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen og assisterende professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved U-M, og Matthew Webb, en doktorgradsstuderende i materialevidenskab og teknik, deponerede derefter omhyggeligt materialet ved hjælp af pulseret laseraflejring for at opnå præcise lag med glatte grænseflader. For at gøre materialet endnu mere holdbart brugte de oxider frem for konventionelle fotoniske materialer; oxiderne kan være lagdelt mere præcist og er mindre tilbøjelige til at blive nedbrudt under høj varme.

"I tidligere arbejde oxiderede traditionelle materialer under høj varme og mistede deres velordnede lagdelte struktur," sagde Heron. "Men når du starter med oxider, har den nedbrydning i det væsentlige allerede fundet sted. Det giver øget stabilitet i den endelige lagdelte struktur."

Efter test bekræftede, at materialet fungerede som designet, brugte Sean McSherry, førsteforfatter af undersøgelsen og en doktorgradsstuderende i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved U-M, computermodellering til at identificere hundredvis af andre kombinationer af materialer, der sandsynligvis også vil fungere. Mens kommerciel implementering af materialet testet i undersøgelsen sandsynligvis er år væk, åbner kerneopdagelsen op for en ny forskningslinje i en række andre nanofotoniske materialer, der kan hjælpe fremtidige forskere med at udvikle en række nye materialer til en række forskellige anvendelser. + Udforsk yderligere

Ny nanofotonisk belægning kan hjælpe med termisk styring og modovervågning