Fysiker har upptäckt radikalt nya egenskaper i ett nanomaterial som öppnar nya möjligheter för högeffektiva termofotovoltaiska celler, som en dag skulle kunna skörda värme i mörkret och förvandla den till elektricitet.

Forskargruppen från Australian National University (ARC Center of Excellence CUDOS) och University of California Berkeley visade ett nytt konstgjort material, eller metamaterial, som lyser på ett ovanligt sätt när det värms upp.

Fynden kan driva en revolution i utvecklingen av celler som omvandlar utstrålad värme till elektricitet, kända som termofotovoltaiska celler.

"Termofotovoltaiska celler har potential att vara mycket effektivare än solceller, " sa Dr Sergey Kruk från ANU Research School of Physics and Engineering.

"Vårt metamaterial övervinner flera hinder och kan hjälpa till att låsa upp potentialen hos termofotovoltaiska celler."

Termofotovoltaiska celler har förutspåtts vara mer än två gånger effektivare än konventionella solceller. De behöver inte direkt solljus för att generera elektricitet, och istället kan skörda värme från sin omgivning i form av infraröd strålning.

De kan också kombineras med en brännare för att producera kraft på begäran eller kan återvinna värme som utstrålas av heta motorer.

Forskningen är publicerad i Naturkommunikation .

Teamets metamaterial, gjord av små nanoskopiska strukturer av guld och magnesiumfluorid, utstrålar värme i specifika riktningar. Metamaterialets geometri kan också justeras för att avge strålning inom ett specifikt spektralområde, i motsats till standardmaterial som avger sin värme i alla riktningar som ett brett spektrum av infraröda våglängder. Detta gör den idealisk för användning som en sändare i kombination med en termofotovoltaisk cell.

Projektet startade när Dr Kruk förutspådde att det nya metamaterialet skulle ha dessa överraskande egenskaper. ANU-teamet arbetade sedan med forskare vid University of California Berkeley, som har unik expertis i att tillverka sådana material.

"För att tillverka detta material arbetade Berkeley-teamet i framkanten av tekniska möjligheter, " sa Dr Kruk.

"Storleken på enskilda byggstenar i metamaterialet är så liten att vi skulle kunna passa mer än tolv tusen av dem på tvärsnittet av ett människohår."

Nyckeln till metamaterialets anmärkningsvärda beteende är dess nya fysiska egenskap, magnetisk hyperbolisk dispersion. Dispersion beskriver ljusets interaktioner med material och kan visualiseras som en tredimensionell yta som representerar hur elektromagnetisk strålning fortplantar sig i olika riktningar. För naturmaterial, såsom glas eller kristaller har dispersionsytorna enkla former, sfärisk eller ellipsoid.

Spridningen av det nya metamaterialet är drastiskt annorlunda och tar hyperbolisk form. Detta beror på materialets anmärkningsvärt starka interaktioner med ljusets magnetiska komponent.

Effektiviteten hos termovoltaiska celler baserade på metamaterialet kan förbättras ytterligare om sändaren och mottagaren bara har ett nanoskopiskt mellanrum. I den här konfigurationen, strålningsvärmeöverföringen mellan dem kan vara mer än tio gånger effektivare än mellan konventionella material.