Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã sử dụng một "siêu vật liệu nhiệt" để kiểm soát sự phát xạ của bức xạ ở nhiệt độ cao, một tiến bộ có thể mang lại cho các thiết bị có thể hiệu quả thu nhiệt thải từ các nhà máy điện và nhà máy khác.

Khoảng 50 đến 60 phần trăm năng lượng được tạo ra trong than và nhà máy điện chạy dầu dựa trên là lãng phí dưới dạng nhiệt. Tuy nhiên, các thiết bị thermophotovoltaic đó tạo ra điện từ bức xạ nhiệt có thể được thích nghi với ống công nghiệp trong các nhà máy và nhà máy điện, cũng như trên động cơ xe và hệ thống ống xả ô tô, để lấy lại phần lớn năng lượng bị lãng phí.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh howto hạn chế phát bức xạ nhiệt đến một phần của quang phổ cần thiết nhất cho công nghệ thermophotovoltaic.

"Các thiết bị này đòi hỏi quang phổ phù hợp phát xạ nhiệt ở nhiệt độ cao, và nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các tính chất nội tại có thể được kiểm soát sao cho một đối tượng rất nóng chỉ phát sáng trong màu sắc nhất định," Zubin Jacob, một trợ lý giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại đại học Purdue cho biết Trường đại học. "Ý tưởng chính là để bắt đầu kiểm soát phát thải nhiệt ở nhiệt độ cao kỷ lục trong những cách đó đã không được thực hiện trước đây."

Các siêu vật liệu nhiệt - lớp nano của vonfram và hafini oxide - được sử dụng để ngăn chặn sự phát xạ của một phần của quang phổ đồng thời tăng cường phát thải trong một. (Một hình ảnh động có sẵn tại https://youtu.be/mRhcNF1yyyU.)

Siêu vật liệu là phương tiện truyền thông hỗn hợp, có các tính năng, mô hình hoặc các yếu tố như nanoantennas nhỏ cho phép điều khiển chưa từng thấy ánh sáng. Phát triển trong khoảng 15 năm, các siêu vật liệu nợ khả năng khác thường của họ để thiết kế chính xác và sản xuất trên quy mô nanomet.

"Họ đã được sử dụng chủ yếu để thao tác ánh sáng kết hợp, như trong một laser, nhưng khả năng thao tác bức xạ nhiệt hồng ngoại ở 1000 C mở ra các lĩnh vực nghiên cứu mới," Jacob nói. "Các kỹ thuật chúng tôi sử dụng để đạt được ức chế và nâng cao nhiệt này về cơ bản là khác nhau từ cách tiếp cận kỹ thuật nhiệt hiện có và khai thác một hiện tượng được gọi là quá trình chuyển đổi topo."

Kết quả này được trình bày chi tiết trong một bài nghiên cứu được công bố hồi đầu năm nay trên tạp chí Nature Communications. Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại đại học Purdue, Đại học Hamburg Công nghệ ở Đức; Đại học Alberta ở Canada; và Helmholtz-Zentrum Geesthacht Trung tâm Vật liệu và nghiên cứu ven biển ở Đức. Các đồng tác giả dẫn là Hamburg Đại học Công nghệ sau tiến sĩ researcherPavel Dyachenko và Đại học Alberta sinh tiến sĩ Sean Molesky.

Nghiên cứu hiện lần đầu tiên phương pháp này được sử dụng cho sự phát xạ nhiệt trong siêu vật liệu ở nhiệt độ cao, cũng được gọi là siêu vật liệu chịu lửa.

"Sinh viên của tôi, Sean Molesky, về mặt lý thuyết dự đoán nó vào năm 2012, và nó đã thực hiện khoảng bốn năm và một số vật liệu kỹ thuật đặc biệt từ cộng tác viên của chúng tôi để thực hiện các thí nghiệm ở nhiệt độ cao và chứng minh các siêu vật liệu nhiệt điện," Jacob nói.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của một tế bào quang điện là một loại vật liệu bán dẫn được chiếu sáng với ánh sáng, gây ra các electron di chuyển từ mức năng lượng khác. Các electron trong chất bán dẫn chiếm một khu vực năng lượng gọi là dải hóa trị trong khi vật liệu là trong bóng tối. Nhưng chiếu ánh sáng trên vật liệu làm cho các electron hấp thụ năng lượng, nâng họ thành một khu vực năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn. Khi các electron di chuyển đến các vùng dẫn, họ để lại đằng sau "lỗ hổng" trong ban nhạc đường viền bằng vải. Các khu vực giữa hai ban nhạc, mà không có các electron tồn tại, được gọi là khoảng cách ban nhạc.

"Nếu bạn có năng lượng thấp hơn khoảng cách ban nhạc, mà nói chung là lãng phí," Jacob nói. "Vì vậy, những gì bạn muốn làm cho hiệu suất cao chuyển đổi năng lượng nhiệt là ngăn chặn sự phát xạ nhiệt bên dưới khe hở và nâng cao nó trên khoảng cách ban nhạc, và đây là những gì chúng ta đã làm. Chúng tôi đã sử dụng quá trình chuyển đổi topo trong một cách đó là không được thực hiện trước khi cho nâng nhiệt và đàn áp, tăng cường phần năng lượng cao của quang phổ phát xạ và ức chế các photon nhiệt năng lượng thấp. Điều này cho phép chúng ta phát ra ánh sáng duy nhất trong phổ năng lượng trên khoảng cách ban nhạc. "

các tác giả khác của bài báo là Gia-cốp; Hamburg Đại học nghiên cứu Công nghệ Alexander Petrov Yu, Slawa Lang, Manfred Eich, T. Krekeler và M. Ritter; và nhà khoa học nghiên cứu cấp cao Michael Störmer từ Trung tâm Geesthacht Helmholtz Zentrum-Vật liệu và nghiên cứu vùng ven biển.

nghiên cứu trong tương lai sẽ bao gồm việc để chuyển đổi bức xạ nhiệt từ vật liệu meta nhiệt electron-lỗ cặp trong một vật liệu bán dẫn, một bước quan trọng trong việc phát triển công nghệ. Các công nghệ thermophotovoltaic có thể sẵn sàng cho thương mại hóa trong vòng bảy năm, Jacob nói.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Đức nghiên cứu, khoa học quốc gia và Hội đồng Nghiên cứu Kỹ thuật của Canada, Alberta Innovates Công nghệ tương lai, và Sáng kiến Helmholtz-Alberta.