UCLA materialforskare har utvecklat en klass av optiskt material som styr hur värmestrålning riktas från ett objekt. På samma sätt som överlappande persienner riktar vinkeln av synligt ljus som kommer genom ett fönster, genombrottet innebär att man använder en speciell klass av material som manipulerar hur värmestrålning färdas genom sådana material.

Nyligen publicerad i Vetenskap , förskottet skulle kunna användas för att förbättra effektiviteten hos energiomvandlingssystem och möjliggöra effektivare avkännings- och detekteringsteknik.

"Vårt mål var att visa att vi effektivt kunde stråla termisk strålning - värmen som alla objekt emanerar som elektromagnetiska vågor - över breda våglängder i samma riktning, " sa studieledaren Aaswath Raman, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli School of Engineering. "Detta framsteg erbjuder nya möjligheter för en rad tekniker som är beroende av förmågan att kontrollera värmeflödena i form av termisk strålning. Detta inkluderar avbildnings- och avkänningsapplikationer som förlitar sig på värmekällor eller detektering av dem, såväl som energitillämpningar som solvärme, spillvärmeåtervinning och strålningskylning, där begränsning av värmeflödets riktning kan förbättra prestandan. "

Varje föremål avger värme som ljus, ett fenomen som kallas termisk strålning. Bekanta exempel inkluderar glödtråden i en glödlampa, glödande spolar i en brödrost och även det naturliga ljuset från solen. Detta fenomen kan också upptäckas på vår hud och i vanliga föremål - från kläderna du har på dig till väggarna runt dig.

På jorden, för föremål vid omgivningstemperaturer till måttligt varma föremål, mycket av den utsända termiska strålningen finns i den infraröda delen av spektrumet.

Tidigare, en grundläggande utmaning hade hindrat material från att rikta sin värme i specifika riktningar över ett brett spektrum för att säkerställa att en tillräcklig mängd värme avges. För att lösa pusslet, forskarna skapade ett nytt teoretiskt ramverk med hjälp av nanofotoniska material. För första gången, teamet visade att denna nya klass av effektiva material tillåter breda band av termisk strålning att spridas över förutbestämda vinklar.

"För att demonstrera detta koncept, vi skiktade flera oxidmaterial, att var och en manipulerar infrarött ljus över olika våglängder, och strålade mycket av den avgivna värmen mot samma fasta vinklar, " sa studiens första författare Jin Xu, en UCLA materialvetenskap och ingenjörsstudent. "Dessutom, oxiderna vi använde är vanliga, så att förnödenheter inte skulle vara ett problem vid tillverkningen av materialet. "

Klassen av material som styr värme är känd som "epsilon-nära-noll" eller ENZ-material. Forskarna kallar sitt nya material för ett gradient ENZ-material. De visade två sådana materialprover som kan stråla termisk strålning över breda bandbredder till smala vinklar - från 60° till 75° respektive 70° till 85°.

Med hjälp av en värmekamera, strålningsvinklarna kunde ses titta på kiselskivor belagda med gradient ENZ-material. Sett från de flesta vinklar, de uppvärmda skivorna verkade vara kalla, liknande hur polerade metaller som aluminium ser ut under en värmekamera. Dock, när det ses i de designade specifika vinklarna, signaturerna för högre värme kunde ses på skivorna.