Um novo dispositivo reconfigurável que emite padrões de luz infravermelha térmica de uma maneira totalmente controlável poderia um dia tornar possível coletar calor residual em comprimentos de onda infravermelhos e transformá-lo em energia utilizável.

A nova tecnologia pode ser usada para melhorar a termofotovoltaica, um tipo de célula solar que usa luz infravermelha, ou calor, em vez da luz visível absorvida pelas células solares tradicionais. Os cientistas têm trabalhado para criar termofotovoltaicos que sejam práticos o suficiente para coletar a energia térmica encontrada em áreas quentes, como em torno de fornos e fornos usados ​​pela indústria do vidro. Eles também podem ser usados ​​para transformar o calor proveniente de motores de veículos em energia para carregar a bateria de um carro, por exemplo.

"Porque a emissão de energia infravermelha, ou intensidade, é controlável, este novo emissor infravermelho pode fornecer uma maneira personalizada de coletar e usar a energia do calor, "disse Willie J. Padilla, da Duke University, Carolina do Norte. "Há um grande interesse na utilização de calor residual, e nossa tecnologia pode melhorar esse processo. "

O novo dispositivo é baseado em metamateriais, materiais sintéticos que exibem propriedades exóticas não disponíveis em materiais naturais. Padilla e o estudante de doutorado Xinyu Liu usaram um metamaterial projetado para absorver e emitir comprimentos de onda infravermelhos com eficiência muito alta. Ao combiná-lo com o movimento controlado eletronicamente disponível a partir de sistemas microeletromecânicos (MEMS), os pesquisadores criaram o primeiro dispositivo de metamaterial com propriedades de emissão infravermelha que podem ser rapidamente alteradas pixel a pixel.

Conforme relatado no jornal da The Optical Society para pesquisas de alto impacto, Optica , o novo dispositivo emissor de infravermelho consiste em uma matriz 8 × 8 de pixels individualmente controláveis, cada um medindo 120 x 120 mícrons. Eles demonstraram o dispositivo de metamaterial MEMS criando um "D" que é visível com uma câmera infravermelha.

Os pesquisadores relatam que seu emissor infravermelho pode atingir uma gama de intensidades infravermelhas e pode exibir padrões em velocidades de até 110 kHz, ou mais de 100, 000 vezes por segundo. Aumentar a escala da tecnologia pode permitir que ela seja usada para criar padrões infravermelhos dinâmicos para a identificação de amigos ou inimigos durante o combate.

Sem calor envolvido

Em contraste com os métodos normalmente usados ​​para atingir a emissão infravermelha variável, a nova tecnologia emite energias infravermelhas sintonizáveis ​​sem qualquer mudança na temperatura. Uma vez que o material não é aquecido nem resfriado, o dispositivo pode ser usado em temperatura ambiente, enquanto outros métodos requerem altas temperaturas de operação. Embora experimentos com materiais naturais tenham sido bem-sucedidos em temperatura ambiente, eles são limitados a faixas espectrais de infravermelho estreitas.

"Além de permitir a operação em temperatura ambiente, o uso de metamateriais simplifica a escala em toda a faixa de comprimento de onda infravermelho e nas frequências visíveis ou mais baixas, "disse Padilla." Isso porque as propriedades do dispositivo são alcançadas pela geometria, não pela natureza química dos materiais constituintes que estamos usando. "

O novo emissor infravermelho reconfigurável consiste em uma camada superior móvel de metamaterial metálico padronizado e uma camada metálica inferior que permanece estacionária. O dispositivo absorve fótons infravermelhos e os emite com alta eficiência quando as duas camadas se tocam, mas emite menos energia infravermelha quando as duas camadas estão separadas. Uma tensão aplicada controla o movimento da camada superior, e a quantidade de energia infravermelha emitida depende da tensão exata aplicada.

Emissão infravermelha dinâmica

Usando uma câmera infravermelha, os pesquisadores demonstraram que podem modificar dinamicamente o número de fótons infravermelhos que saem da superfície do metamaterial MEMS em uma faixa de intensidades equivalente a uma mudança de temperatura de quase 20 graus Celsius.

Os pesquisadores dizem que podem modificar os padrões de metamateriais usados ​​na camada superior para criar pixels infravermelhos de cores diferentes, que podem ser ajustados em intensidade. Isso pode permitir a criação de pixels infravermelhos semelhantes aos pixels RGB usados ​​em uma TV. Eles agora estão trabalhando para expandir a tecnologia criando um dispositivo com mais pixels - até 128 x 128 - e aumentando o tamanho dos pixels.

"Em princípio, uma abordagem semelhante à nossa poderia ser usada para criar muitos tipos de efeitos dinâmicos a partir de metamateriais reconfiguráveis, "disse Padilla." Isso poderia ser usado para obter um manto óptico infravermelho dinâmico ou um índice de refração negativo no infravermelho, por exemplo."