Un nuevo material nanofotónico ha batido récords de estabilidad a altas temperaturas, lo que podría dar paso a una producción de electricidad más eficiente y abrir una serie de nuevas posibilidades en el control y la conversión de la radiación térmica.
Desarrollado por un equipo de ingenieros químicos y de ciencias de los materiales de la Universidad de Michigan, el material controla el flujo de la radiación infrarroja y es estable a temperaturas de 2.000 grados Fahrenheit en el aire, lo que supone una mejora de casi el doble de los métodos existentes.
El material utiliza un fenómeno llamado interferencia destructiva para reflejar la energía infrarroja y dejar pasar las longitudes de onda más cortas. Esto podría reducir el desperdicio de calor en las células termofotovoltaicas, que convierten el calor en electricidad pero no pueden utilizar la energía infrarroja, al reflejar las ondas infrarrojas de vuelta al sistema.
El material también podría ser útil en la fotovoltaica óptica, la imagen térmica, los revestimientos de barrera ambiental, la detección, el camuflaje de dispositivos de vigilancia por infrarrojos y otras aplicaciones.
“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 estructurados y modelados de manera que absorben algunas longitudes de onda de la luz blanca pero reflejan otras, produciendo la apariencia de color”, dijo Andrej Lenert, profesor asistente de ingeniería química de la U-M y coautor del estudio en Nature Nanotechnology.
“Este material hace algo parecido con la energía infrarroja. El reto ha sido evitar la ruptura de esa estructura productora de color bajo un calor elevado”.
El enfoque supone un gran cambio respecto al estado actual de los emisores térmicos de ingeniería, que suelen utilizar espumas y cerámicas para limitar las emisiones de infrarrojos. 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 sintonizable, pero los esfuerzos anteriores no han sido estables a altas temperaturas, y a menudo se funden u oxidan (el proceso que forma el óxido en el hierro). Además, muchos materiales nanofotónicos sólo mantienen su estabilidad en el vacío.
El nuevo material contribuye a resolver este problema, superando el anterior récord de resistencia al calor entre los cristales fotónicos estables en el aire en más de 900 grados Fahrenheit al aire libre. Además, el material es sintonizable, lo que permite a los investigadores ajustarlo para modificar la energía en 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 un aumento de la eficiencia mucho mayor con una mayor optimización.
El equipo desarrolló la solución combinando conocimientos de ingeniería química y ciencia de los materiales. El equipo de ingeniería química de Lenert empezó buscando materiales que no se mezclaran aunque empezaran a fundirse.
“El objetivo es encontrar materiales que mantengan capas bonitas y nítidas que reflejen la luz de la forma que queremos, incluso cuando las cosas se calientan mucho”, dijo Lenert. “Así que buscamos materiales con estructuras cristalinas muy diferentes, porque tienden a no querer mezclarse”.
Su hipótesis era que una combinación de sal de roca y perovskita, un mineral hecho de óxidos de calcio y titanio, encajaba en el proyecto. Los colaboradores de la UM y la Universidad de Virginia realizaron simulaciones con superordenadores para confirmar que la combinación era una buena apuesta.
John Heron, coautor del estudio y profesor adjunto de ciencia e ingeniería de los materiales en la UM, y Matthew Webb, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de los materiales, depositaron cuidadosamente el material mediante deposición láser pulsada para conseguir capas precisas con interfaces suaves. Para que el material fuera aún más duradero, utilizaron óxidos en lugar de materiales fotónicos convencionales; los óxidos pueden estratificarse con mayor precisión y es menos probable que se degraden con el calor.
“En trabajos anteriores, los materiales tradicionales se oxidaban con el calor y perdían su estructura de capas ordenada”, explica Heron. “Pero cuando se empieza con óxidos, esa degradación ya se ha producido esencialmente. Eso produce una mayor estabilidad en la estructura de capas final”.
Después de que las pruebas confirmaran que el material funcionaba como se había diseñado, Sean McSherry, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de los materiales en la U-M, utilizó el modelado por ordenador para identificar cientos de otras combinaciones de materiales que también tienen probabilidades de funcionar. Aunque es probable que falten años para la aplicación comercial del material ensayado en el estudio, el descubrimiento central abre una nueva línea de investigación sobre una variedad de otros materiales nanofotónicos que podría ayudar a futuros investigadores a desarrollar una serie de nuevos materiales para diversas aplicaciones.
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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