Ett nytt nanofotoniskt material har slagit rekord för högtemperaturstabilitet, vilket potentiellt har inlett en effektivare elproduktion och öppnat en mängd nya möjligheter för kontroll och omvandling av termisk strålning.

Materialet har utvecklats av ett team av kemiska och materialvetenskapliga ingenjörer som leds av University of Michigan och kontrollerar flödet av infraröd strålning och är stabilt vid temperaturer på 2 000 grader Fahrenheit i luft, en nästan dubbelt så stor förbättring jämfört med befintliga metoder.

Materialet använder ett fenomen som kallas destruktiv interferens för att reflektera infraröd energi samtidigt som det låter kortare våglängder passera igenom. Detta kan potentiellt minska värmeavfallet i termofotovoltaiska celler, som omvandlar värme till elektricitet men inte kan använda infraröd energi, genom att reflektera infraröda vågor tillbaka in i systemet. Materialet kan också vara användbart i optisk solcellsteknik, värmeavbildning, miljöbarriärbeläggningar, avkänning, kamouflage från infraröda övervakningsenheter och andra applikationer.

"Det liknar sättet som fjärilsvingar använder våginterferens för att få sin färg. Fjärilsvingar är gjorda av färglösa material, men dessa material är strukturerade och mönstrade på ett sätt som absorberar vissa våglängder av vitt ljus men reflekterar andra, vilket ger ett utseende som färg", säger Andrej Lenert, UM biträdande professor i kemiteknik och medförfattare till studien i Nature Nanotechnology .

"Det här materialet gör något liknande med infraröd energi. Den utmanande delen har varit att förhindra nedbrytning av den färgproducerande strukturen under hög värme."

Tillvägagångssättet är en stor avvikelse från det nuvarande tillståndet för tekniska termiska strålare, som vanligtvis använder skum och keramik för att begränsa infraröda utsläpp. Dessa material är stabila vid hög temperatur men ger mycket begränsad kontroll över vilka våglängder de släpper igenom. Nanofotonik skulle kunna erbjuda mycket mer avstämbar kontroll, men tidigare ansträngningar har inte varit stabila vid höga temperaturer, ofta smältande eller oxiderande (processen som bildar rost på järn). Dessutom bibehåller många nanofotoniska material sin stabilitet endast i ett vakuum.

Det nya materialet arbetar för att lösa det problemet och överträffar det tidigare rekordet för värmebeständighet bland luftstabila fotoniska kristaller med mer än 900 grader Fahrenheit i friluft. Dessutom är materialet justerbart, vilket gör det möjligt för forskare att justera det för att modifiera energi för en mängd olika potentiella tillämpningar. Forskargruppen förutspådde att tillämpningen av detta material på befintliga TPV:er kommer att öka effektiviteten med 10 % och tror att mycket större effektivitetsvinster kommer att vara möjliga med ytterligare optimering.

Teamet utvecklade lösningen genom att kombinera kemiteknik och materialvetenskaplig expertis. Lenerts kemiingenjörsteam började med att leta efter material som inte skulle blandas även om de började smälta.

"Målet är att hitta material som kommer att bibehålla snygga, skarpa lager som reflekterar ljus på det sätt vi vill, även när det blir väldigt varmt," sa Lenert. "Så vi letade efter material med väldigt olika kristallstrukturer, eftersom de tenderar att inte vilja blandas."

De antog att en kombination av stensalt och perovskit, ett mineral tillverkat av kalcium- och titanoxider, passade. Samarbetspartners vid U-M och University of Virginia körde superdatorsimuleringar för att bekräfta att kombinationen var en bra satsning.

John Heron, motsvarande författare till studien och biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid UM, och Matthew Webb, doktorand i materialvetenskap och teknik, deponerade sedan försiktigt materialet med hjälp av pulsad laseravsättning för att uppnå exakta lager med jämna gränssnitt. För att göra materialet ännu mer hållbart använde de oxider snarare än konventionella fotoniska material; oxiderna kan skiktas mer exakt och är mindre benägna att brytas ned under hög värme.

"I tidigare arbete oxiderade traditionella material under hög värme och förlorade sin ordnade skiktade struktur," sa Heron. "Men när du börjar med oxider har den nedbrytningen i princip redan skett. Det ger ökad stabilitet i den slutliga skiktade strukturen."

Efter att testningen bekräftat att materialet fungerade som det var designat, använde Sean McSherry, första författare till studien och doktorand i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid U-M, datormodellering för att identifiera hundratals andra kombinationer av material som sannolikt också kommer att fungera. Även om kommersiell implementering av materialet som testades i studien sannolikt är flera år bort, öppnar kärnupptäckten upp en ny linje av forskning om en mängd andra nanofotoniska material som kan hjälpa framtida forskare att utveckla en rad nya material för en mängd olika applikationer. + Utforska vidare

Ny nanofotonisk beläggning kan underlätta värmehantering och motövervakningsinsatser