یک ماده نانوفوتونیکی رکورد پایداری در دمای بالا را شکست

یک ماده جدید نانوفوتونیکی رکورد‌های پایداری در دمای بالا را شکسته است و به طور بالقوه تولید برق کارآمدتری را در سلول‌های ترموفوولتائیک به همراه دارد و فرصت‌های جدیدی را در کنترل و تبدیل تشعشعات حرارتی ایجاد می‌کند.

کد خبر: ۱۰۳۴۴۰۵

پنجشنبه - ۰۷ مهر ۱۴۰۱ / September 29, 2022

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، این ماده که توسط تیمی از مهندسان شیمی و علم مواد به رهبری دانشگاه میشیگان ساخته شده است، جریان تابش مادون قرمز را کنترل می‌کند و در دمای ۲۰۰۰ درجه فارنهایت در هوا پایدار است که تقریباً دو برابر بیشتر از رویکرد‌های موجود است.

این ماده از پدیده‌ای به نام تداخل مخرب استفاده می‌کند تا انرژی مادون قرمز را منعکس کند در حالی که اجازه می‌دهد طول موج‌های کوتاه‌تر عبور کنند. این موضوع به طور بالقوه می‌تواند اتلاف گرما را در سلول‌های ترموفوولتائیک که گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، اما نمی‌توانند از انرژی مادون قرمز استفاده کنند، با بازتاب امواج مادون قرمز به سیستم کاهش دهد. این ماده همچنین می‌تواند در فتوولتائیک‌های نوری، تصویربرداری حرارتی، پوشش‌های مانع محیطی، حسگری، استتار از دستگاه‌های نظارت مادون قرمز و سایر کاربرد‌ها مفید باشد.

این فرآیند شبیه به روشی است که بال‌های پروانه از تداخل امواج برای به دست آوردن رنگ خود استفاده می‌کنند. بال‌های پروانه از مواد بی‌رنگ تشکیل شده‌اند، اما ساختار و طرح‌بندی آن مواد به‌گونه‌ای است که برخی از طول‌موج‌های نور سفید را جذب می‌کنند، اما برخی دیگر را منعکس می‌کنند و ظاهری جذاب را ایجاد می‌کنند. این مواد در دمای بالا پایدار هستند، اما کنترل بسیار محدودی بر روی طول موج‌هایی که از آن‌ها عبور می‌کنند را ارائه می‌دهند. نانوفوتونیک‌ها می‌توانند کنترل بسیار قابل تنظیم‌تری ارائه دهند، اما تلاش‌های گذشته در دما‌های بالا، به دلیل ذوب یا اکسید شدن پایدار نبوده است. علاوه بر این، بسیاری از مواد نانوفوتونیکی فقط در خلاء پایداری خود را حفظ می‌کنند.

‌این ماده جدید رکورد قبلی مقاومت در برابر حرارت را در بین بلور‌های فوتونیک پایدار در هوا با بیش از ۹۰۰ درجه فارنهایت در هوای آزاد به بهترین نحو به دست می‌آورد. علاوه بر این، این ماده قابل تنظیم است و محققان را قادر می‌سازد تا آن را برای اصلاح انرژی برای کاربرد‌های بالقوه مختلف تغییر دهند.

این تیم راه حل خود را با ترکیب مهندسی شیمی و علم مواد توسعه دادند. لنرت استادیار مهندسی شیمی از محققان این پروژه می‌گوید: «هدف یافتن موادی است که لایه‌های خوب و شفافی که نور را به همان شکلی که ما می‌خواهیم منعکس کنند، حتی زمانی که همه چیز بسیار داغ می‌شود؛ بنابراین ما به دنبال موادی با ساختار‌های کریستالی بسیار متفاوت بودیم، زیرا آن‌ها تمایلی به مخلوط شدن ندارند.»

آن‌ها فرض کردند که ترکیبی از سنگ نمک و پروسکایت، ماده معدنی ساخته شده از اکسید‌های کلسیم و تیتانیوم، مناسب است. جان هرون و متیو وب، سپس مواد را با دقت با استفاده از رسوب لیزر پالسی برای دستیابی به لایه‌های دقیق و صاف، رسوب دادند. اکسید‌ها را می‌توان با دقت بیشتری لایه‌بندی کرد و کمتر احتمال دارد که تحت حرارت زیاد تجزیه شوند. هرون گفت: «در کار قبلی، مواد رایج تحت حرارت زیاد اکسید می‌شوند و ساختار لایه‌ای منظم خود را از دست می‌دهند. اما وقتی با اکسید‌ها شروع می‌کنید، این تخریب اساساً قبلاً اتفاق افتاده است. این موضوع باعث افزایش پایداری در ساختار لایه‌ای نهایی می‌شود.»