Um novo material nanofotônico quebrou recordes de estabilidade em altas temperaturas, potencialmente inaugurando uma produção de eletricidade mais eficiente e abrindo uma variedade de novas possibilidades no controle e conversão de radiação térmica.
Desenvolvido por uma equipe liderada por engenheiros químicos e de ciências de materiais da Universidade de Michigan, o material controla o fluxo de radiação infravermelha e é estável a temperaturas de 2.000 graus Fahrenheit no ar, uma melhoria de quase duas vezes em relação às abordagens existentes.

O material usa um fenômeno chamado interferência destrutiva para refletir a energia infravermelha enquanto permite a passagem de comprimentos de onda mais curtos. Isso poderia reduzir o desperdício de calor em células termofotovoltaicas, que convertem calor em eletricidade, mas não podem usar energia infravermelha, refletindo ondas infravermelhas de volta ao sistema. O material também pode ser útil em fotovoltaicos ópticos, imagens térmicas, revestimentos de barreira ambiental, sensoriamento, camuflagem de dispositivos de vigilância infravermelha e outras aplicações.

"É semelhante à forma como as asas de borboleta usam a interferência de ondas para obter sua cor. As asas de borboleta são feitas de materiais incolores, mas esses materiais são estruturados e padronizados de uma maneira que absorve alguns comprimentos de onda de luz branca, mas reflete outros, produzindo a aparência de cor", disse Andrej Lenert, professor assistente de engenharia química da U-M e co-autor correspondente do estudo em Nature Nanotechnology .

"Este material faz algo semelhante com a energia infravermelha. A parte desafiadora tem sido evitar a quebra dessa estrutura produtora de cor sob altas temperaturas."

A abordagem é um grande desvio do estado atual dos emissores térmicos projetados, que normalmente usam espumas e cerâmicas para limitar as emissões de infravermelho. Esses materiais são estáveis ​​em altas temperaturas, mas oferecem um controle muito limitado sobre quais comprimentos de onda eles deixam passar. A nanofotônica poderia oferecer um controle muito mais ajustável, mas os esforços anteriores não foram estáveis ​​em altas temperaturas, muitas vezes derretendo ou oxidando (o processo que forma ferrugem no ferro). Além disso, muitos materiais nanofotônicos mantêm sua estabilidade apenas no vácuo.

O novo material trabalha para resolver esse problema, superando o recorde anterior de resistência ao calor entre cristais fotônicos estáveis ​​ao ar em mais de 900 graus Fahrenheit ao ar livre. Além disso, o material é ajustável, permitindo que os pesquisadores o ajustem para modificar a energia para uma ampla variedade de aplicações potenciais. A equipe de pesquisa previu que a aplicação deste material aos TPVs existentes aumentará a eficiência em 10% e acredita que ganhos de eficiência muito maiores serão possíveis com mais otimização.

A equipe desenvolveu a solução combinando engenharia química e conhecimento em ciência de materiais. A equipe de engenharia química de Lenert começou procurando materiais que não se misturassem mesmo que começassem a derreter.

“O objetivo é encontrar materiais que mantenham camadas bonitas e nítidas que reflitam a luz da maneira que queremos, mesmo quando as coisas ficam muito quentes”, disse Lenert. "Então, procuramos materiais com estruturas cristalinas muito diferentes, porque eles tendem a não querer se misturar."

Eles levantaram a hipótese de que uma combinação de sal-gema e perovskita, um mineral feito de óxidos de cálcio e titânio, se encaixaria no projeto. Colaboradores da U-M e da Universidade da Virgínia realizaram simulações em supercomputadores para confirmar que a combinação era uma boa aposta.

John Heron, co-autor correspondente do estudo e professor assistente de ciência e engenharia de materiais na U-M, e Matthew Webb, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais, depositaram cuidadosamente o material usando deposição de laser pulsado para obter camadas precisas com interfaces. Para tornar o material ainda mais durável, eles usaram óxidos em vez de materiais fotônicos convencionais; os óxidos podem ser estratificados com mais precisão e são menos propensos a se degradarem sob altas temperaturas.

"Em trabalhos anteriores, os materiais tradicionais oxidavam sob altas temperaturas, perdendo sua estrutura em camadas ordenadas", disse Heron. "Mas quando você começa com óxidos, essa degradação essencialmente já ocorreu. Isso produz maior estabilidade na estrutura final em camadas."

Depois que os testes confirmaram que o material funcionou como projetado, Sean McSherry, primeiro autor do estudo e estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais na U-M, usou modelagem computacional para identificar centenas de outras combinações de materiais que também provavelmente funcionariam. Embora a implementação comercial do material testado no estudo esteja provavelmente a anos de distância, a descoberta principal abre uma nova linha de pesquisa em uma variedade de outros materiais nanofotônicos que podem ajudar futuros pesquisadores a desenvolver uma variedade de novos materiais para uma variedade de aplicações. + Explorar mais

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