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Un nuevo material nanofotónico que bate récords de estabilidad a altas temperaturas podría conducir a una generación de energía más eficiente y a una gran cantidad de nuevas oportunidades para la gestión y conversión de la radiación térmica.
El material, que es robusto a temperaturas de 2000°F en el aire y fue desarrollado por un equipo de ingenieros químicos y de ciencias de los materiales dirigido por la Universidad de Michigan, representa un doble avance sobre los métodos actuales.
Las longitudes de onda más cortas pueden atravesar el material, mientras que la luz infrarroja se refleja mediante un proceso conocido como interferencia destructiva. Al reflejar las ondas infrarrojas de regreso al sistema, el desperdicio de calor en las celdas termofotovoltaicas, que convierten el calor en electricidad pero no pueden usar energía infrarroja, podría minimizarse significativamente.
Otros usos del material incluyen fotovoltaica óptica, imágenes térmicas, revestimientos de barrera ambiental, detección y ocultación de dispositivos de vigilancia infrarrojos.
Es similar a la forma en que las alas de las mariposas utilizan la interferencia de ondas para obtener su color. Las alas de las mariposas están hechas de materiales incoloros, pero estos materiales están texturizados y estampados para absorber algunas longitudes de onda de luz blanca mientras reflejan otras, dando la apariencia de color.
Andrej Lenert, coautor del estudio correspondiente y profesor asistente, ingeniería química, Universidad de Michigan
Lenert agregó: «Este material hace algo similar con la energía infrarroja. El desafío es evitar que esta estructura productora de color se derrumbe a altas temperaturas.”
El proceso representa una desviación significativa del estado actual de los calentadores radiantes fabricados, que generalmente usan cerámica y espumas para controlar las emisiones infrarrojas.
Aunque pueden soportar altas temperaturas, estos materiales tienen muy poco control sobre las longitudes de onda que dejan pasar. Aunque los intentos anteriores no han demostrado ser estables a altas temperaturas, a través de la fusión u oxidación frecuentes (el proceso que forma óxido en el hierro), la nanofotónica podría ofrecer un control mucho mejor. Además, muchos materiales nanofotónicos solo pueden permanecer estables en el vacío.
Al superar la marca anterior de resistencia al calor entre los cristales fotónicos estables al aire en más de 900 ℉ al aire libre, el nuevo material ayuda a resolver este problema. El material también es sintonizable, lo que permite a los científicos modificar su energía para una variedad de aplicaciones potenciales.
Según el equipo de estudio, agregar este material a los TPV actuales aumentará la eficiencia en un 10 %, y anticipan que los ajustes futuros permitirán ganancias de eficiencia significativamente mayores.
El equipo combinó sus conocimientos de ingeniería química y ciencia de los materiales y desarrolló la solución. El primer paso del equipo de ingeniería química de Lenert fue identificar sustancias que no se mezclarían 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. Entonces buscamos materiales con estructuras cristalinas muy diferentes porque tienden a no mezclarse.Lenert continuó.
Postularon que funcionaría una mezcla de sal de roca y el mineral perovskita, compuesto de óxidos de calcio y titanio. Investigadores de las Universidades de Michigan y Virginia realizaron simulaciones de supercomputadoras para verificar la viabilidad de la combinación.
Luego, John Heron, coautor 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, aplicaron cuidadosamente el material mediante deposición láser pulsada para crear capas precisas con interfaces suaves Ingeniería mecánica.
En lugar de utilizar materiales fotónicos tradicionales, eligieron óxidos porque se pueden colocar en capas con mayor precisión y son menos propensos a descomponerse a altas temperaturas. Esto hizo que el material fuera mucho más duradero.
En trabajos anteriores, los materiales tradicionales se oxidaban a altas temperaturas y perdían su estructura ordenada en capas. Pero si comienza con óxidos, esencialmente esa degradación ya se ha producido. Esto da como resultado una mayor estabilidad en la estructura de la capa final.
John Heron, coautor del estudio correspondiente y profesor asistente, Ciencia e ingeniería de materiales, Universidad de Michigan
Sean McSherry, el primer autor del estudio y estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan, utilizó modelos informáticos para encontrar cientos de otras combinaciones de materiales que probablemente también funcionen después de que las pruebas demostraron que el material funcionó según lo previsto.
El descubrimiento clave abre un nuevo camino de investigación para muchos otros materiales nanofotónicos que podrían ayudar a futuros investigadores a desarrollar una gama de nuevos materiales para una variedad de propósitos, aunque es probable que la implementación comercial del material estudiado en el estudio esté dentro de unos años.
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, número de subvención HR00112190005, financió el estudio.
referencia de la revista
MacSherry, S. et al. (2022) Control nanofotónico de emisión térmica bajo temperaturas extremas en el aire. nanotecnología de la naturaleza. doi:10.1038/s41565-022-01205-1
Fuente: https://umich.edu/
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