En ny omkonfigurerbar enhet som avger mönster av termiskt infrarött ljus på ett helt kontrollerbart sätt kan en dag göra det möjligt att samla spillvärme vid infraröda våglängder och förvandla det till användbar energi.

Den nya tekniken kan användas för att förbättra termofotovoltaiken, en typ av solceller som använder infrarött ljus, eller värme, snarare än det synliga ljuset som absorberas av traditionella solceller. Forskare har arbetat med att skapa termofotovoltaik som är tillräckligt praktisk för att skörda värmeenergin som finns i heta områden, såsom runt ugnar och ugnar som används av glasindustrin. De kan också användas för att förvandla värme från fordonsmotorer till energi för att ladda ett bilbatteri, till exempel.

"Eftersom infraröd energiutsläpp, eller intensitet, är kontrollerbar, denna nya infraröda sändare kan ge ett skräddarsytt sätt att samla och använda energi från värme, "sade Willie J. Padilla från Duke University, Norra Carolina. "Det finns ett stort intresse för att utnyttja spillvärme, och vår teknik kan förbättra denna process. "

Den nya enheten är baserad på metamaterial, syntetiska material som uppvisar exotiska egenskaper som inte är tillgängliga från naturmaterial. Padilla och doktoranden Xinyu Liu använde ett metamaterial konstruerat för att absorbera och avge infraröda våglängder med mycket hög effektivitet. Genom att kombinera den med den elektroniskt styrda rörelsen från mikroelektromekaniska system (MEMS), forskarna skapade den första metamaterialenheten med infraröda utsläppsegenskaper som snabbt kan ändras pixel för pixel.

Som rapporterats i The Optical Society's journal for high impact research, Optica , den nya infrarödsändande enheten består av en 8 × 8-uppsättning individuellt kontrollerbara pixlar, var och en mäter 120 X 120 mikron. De demonstrerade MEMS -metamaterialen genom att skapa ett "D" som är synligt med en infraröd kamera.

Forskarna rapporterar att deras infraröda sändare kan uppnå en rad infraröda intensiteter och kan visa mönster med hastigheter upp till 110 kHz, eller mer än 100, 000 gånger per sekund. Genom att skala upp tekniken kan den användas för att skapa dynamiska infraröda mönster för identifiering av vänner eller fiender under strider.

Ingen värme inblandad

I motsats till metoder som vanligtvis används för att uppnå variabel infraröd emission, den nya tekniken avger avstämbara infraröda energier utan någon temperaturändring. Eftersom materialet varken värms eller kyls, enheten kan användas vid rumstemperatur medan andra metoder kräver höga driftstemperaturer. Även om experiment med naturmaterial har varit framgångsrika vid rumstemperatur, de är begränsade till smala infraröda spektralområden.

"Förutom att tillåta rumstemperaturdrift, med hjälp av metamaterial gör det enkelt att skala över hela det infraröda våglängdsområdet och in i de synliga eller lägre frekvenserna, "sa Padilla." Detta beror på att enhetens egenskaper uppnås med geometrin, inte av den kemiska karaktären hos de beståndsdelar som vi använder. "

Den nya omkonfigurerbara infraröda sändaren består av ett rörligt toppskikt av mönstrat metalliskt metamaterial och ett bottenmetallskikt som förblir stillastående. Enheten absorberar infraröda fotoner och avger dem med hög effektivitet när de två lagren vidrör men avger mindre infraröd energi när de två skikten är isär. En applicerad spänning styr rörelsen i det översta lagret, och mängden infraröd energi som avges beror på den exakta spänningen som appliceras.

Dynamisk infraröd strålning

Med en infraröd kamera, forskarna visade att de dynamiskt kunde modifiera antalet infraröda fotoner som kommer från ytan på MEMS -metamaterialet över en intensitet som motsvarar en temperaturförändring på nästan 20 grader Celsius.

Forskarna säger att de skulle kunna ändra de metamaterialmönster som används i det övre lagret för att skapa infraröda pixlar med olika färg som var och en kan justeras i intensitet. Detta kan göra det möjligt att skapa infraröda pixlar som liknar RGB -pixlar som används i en TV. De arbetar nu med att skala upp tekniken genom att göra en enhet med fler pixlar - så många som 128 X 128 - och öka pixlarnas storlek.

"I princip, ett tillvägagångssätt som liknar vårt kan användas för att skapa många slags dynamiska effekter från omkonfigurerbara metamaterial, "sade Padilla." Detta kan användas för att uppnå en dynamisk infraröd optisk kappa eller ett negativt brytningsindex i det infraröda, till exempel."