När forskare försöker göra saker bättre, de vänder sig ofta till en standardregel och försöker motbevisa eller störa den.

Ett konsortium av forskare som använder det unika Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) bestämde sig för att göra just det med Plancks lag.

Plancks lag, som ligger till grund för kvantteorin, anger att elektromagnetisk strålning från uppvärmda kroppar är fördelad över ett brett spektrum av våglängder och brett spektrum av vinklar.

Dock, Max Planck noterade själv att den emitterande energifördelningen skulle avvika avsevärt från hans lag om den karakteristiska storleken på det emitterande föremålet är mindre än den termiska våglängden (cirka 10 mikrometer vid rumstemperatur). Med tillkomsten av mikro- och nanoteknik, det är lätt att tillverka material där Plancks lag inte håller.

Forskarna tänkte fastställa avvikelsen från Plancks lag för att förstå denna påverkan på teknologier baserade på nano- och mikrostrukturerade geometrier. Föreställ dig ett termiskt lagringsmaterial som omvandlar el till värme och sedan strålar ut det till en solcellscell för att få tillbaka elen när så önskas. Strålningssändaren från den termiska lagringen skulle kunna tillverkas av nanostrukturer för att maximera prestandan.

Ett annat exempel är inom området för nano-geometri-baserad termoelektrik med hög temperatur, där högtemperaturspillvärme omvandlas till el. Det är viktigt att förstå strålningen från dessa nanoskala egenskaper, eftersom strålning är den dominerande källan till värmeläckage vid höga temperaturer och kommer att leda till minskad värme-till-el-konverteringseffektivitet.

Stödjande industri

Forskning som denna är vad amerikanska nationella laboratorier fokuserar på. Forskare ställer frågorna och gör de experiment som industrin kanske inte kan stödja tidigt.

Vetenskapliga användaranläggningar som Molecular Foundry hjälper också till med denna typ av forskning. The Molecular Foundry är en Department of Energy (DOE)-finansierad forskningsenhet för nanovetenskap som ger användare från hela världen tillgång till spetsexpertis, instrumenterings- och modelleringsverktyg i ett samarbete, multidisciplinär miljö.

I detta fall, forskare använde strålningsmodellerna som finns tillgängliga i Molecular Foundry för att modellera den termiska strålningen från rektangulära nanorband av kiselglas, ett polärt dielektriskt material. Modelleringen utfördes med hjälp av superdatorer i National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en annan DOE-användaranläggning vid Berkeley Lab. Experimenten utfördes av forskare vid University of California, San Diego.

"Ingen har utforskat det relativa beteendet hos nanogeometrier, särskilt anisotropa nanogeometrier - nanostrukturer som är rektangulära i tvärsnitt - på detta sätt, " sa Ravi Prasher, en av forskarna.

Praktiska tillämpningar för denna tidiga energiomvandling är viktiga för många förnybara energitillämpningar, såsom koncentrerad solelproduktion, avsaltning av vatten, termokemiska reaktioner, vatten värmning, och termisk lagring.

Publikationen, "Koherent termisk emission på långt håll från polaritonisk resonans i individuella anisotropa nanoband, " publicerades i Naturkommunikation i mars 2019.