Un nuevo material nanofotónico ha batido récords de estabilidad a alta temperatura, lo que podría marcar el comienzo de una producción de electricidad más eficiente y abrir una variedad de nuevas posibilidades en el control y la conversión de la radiación térmica.

Desarrollado por un equipo de ingenieros químicos y científicos de materiales dirigido por la Universidad de Michigan, el material controla el flujo de radiación infrarroja y es estable a temperaturas de 2000 grados Fahrenheit en el aire, una mejora de casi el doble con respecto a los enfoques existentes.

El material utiliza un fenómeno llamado interferencia destructiva para reflejar la energía infrarroja mientras deja pasar longitudes de onda más cortas. Esto podría reducir potencialmente el desperdicio de calor en las células termofotovoltaicas, que convierten el calor en electricidad pero no pueden usar energía infrarroja, al reflejar las ondas infrarrojas de regreso al sistema. El material también podría ser útil en fotovoltaica óptica, imágenes térmicas, revestimientos de barrera ambiental, detección, camuflaje de dispositivos de vigilancia infrarrojos y otras aplicaciones.

«Es similar a la forma en que las alas de las mariposas usan la interferencia de las ondas para obtener su color. Las alas de las mariposas están hechas de materiales incoloros, pero esos materiales están estructurados y modelados de una manera que absorbe algunas longitudes de onda de luz blanca pero refleja otras, produciendo la apariencia de color», dijo Andrej Lenert.

«Este material hace algo similar con la energía infrarroja. La parte desafiante ha sido evitar la ruptura de esa estructura productora de color bajo altas temperaturas».

El enfoque es una desviación importante del estado actual de los emisores térmicos diseñados, que generalmente usan espumas y cerámicas para limitar las emisiones infrarrojas. Estos materiales son estables a altas temperaturas pero ofrecen un control muy limitado sobre las longitudes de onda que dejan pasar. La nanofotónica podría ofrecer un control mucho más ajustable, pero los esfuerzos anteriores no han sido estables a altas temperaturas, a menudo derritiéndose u oxidándose (el proceso que forma óxido en el hierro). Además, muchos materiales nanofotónicos solo mantienen su estabilidad en el vacío.

El nuevo material trabaja para resolver ese problema, superando el récord anterior de resistencia al calor entre los cristales fotónicos estables al aire en más de 900 grados Fahrenheit al aire libre. Además, el material es ajustable, lo que permite a los investigadores ajustarlo para modificar la energía para una amplia variedad de aplicaciones potenciales. El equipo de investigación predijo que la aplicación de este material a los TPV existentes aumentará la eficiencia en un 10 % y cree que será posible obtener ganancias de eficiencia mucho mayores con una mayor optimización.

El equipo desarrolló la solución combinando experiencia en ingeniería química y ciencia de materiales. El equipo de ingeniería química de Lenert comenzó buscando materiales que no se mezclaran aunque comenzaran a derretirse.

«El objetivo es encontrar materiales que mantengan capas agradables y nítidas que reflejen la luz de la manera que queremos, incluso cuando hace mucho calor», dijo Lenert. «Así que buscamos materiales con estructuras cristalinas muy diferentes, porque tienden a no querer mezclarse».

Supusieron que una combinación de sal de roca y perovskita, un mineral hecho de óxidos de calcio y titanio, cumplía los requisitos. Los colaboradores de la UM y la Universidad de Virginia realizaron simulaciones de supercomputadoras para confirmar que la combinación era una buena apuesta.

John Heron, coautor correspondiente del estudio y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la UM, y Matthew Webb, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, luego depositaron cuidadosamente el material usando deposición láser pulsada para lograr capas precisas con textura suave. interfaces Para hacer que el material fuera aún más duradero, utilizaron óxidos en lugar de materiales fotónicos convencionales; los óxidos se pueden colocar en capas con mayor precisión y es menos probable que se degraden a altas temperaturas.

«En trabajos anteriores, los materiales tradicionales se oxidaban a altas temperaturas, perdiendo su estructura ordenada en capas», dijo Heron. «Pero cuando comienzas con óxidos, esa degradación esencialmente ya ha tenido lugar. Eso produce una mayor estabilidad en la estructura de capas final».

Después de que las pruebas confirmaron que el material funcionaba según lo diseñado, Sean McSherry, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en la UM, utilizó modelos informáticos para identificar cientos de otras combinaciones de materiales que probablemente también funcionen. Si bien es probable que falten años para la implementación comercial del material probado en el estudio, el descubrimiento central abre una nueva línea de investigación en una variedad de otros materiales nanofotónicos que podrían ayudar a los futuros investigadores a desarrollar una gama de nuevos materiales para una variedad de aplicaciones.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Defensa, Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, número de subvención HR00112190005.