Isıya Dayanıklı Nanofotonik Materyal, Isıyı Elektriğe Dönüştürmeye Yardımcı Olabilir
Yeni bir nanofotonik materyal, yüksek sıcaklık istikrarı alanında rekor kırarak daha verimli elektrik üretimine öncülük etme ve termal radyasyonun kontrolü ve dönüştürülmesinde
birtakım yeni olasılıklara imkan tanıyor.
Michigan Üniversitesi öncülüğündeki kimya ve malzeme bilimi mühendisleri ekibi tarafından geliştirilen materyal, kızılötesi radyasyon akışını kontrol ediyor ve havada 2.000 derece Fahrenheit sıcaklıklarda stabil kalabiliyor. Bu sayı, mevcut yöntemlere göre yaklaşık iki kat iyileştirme sağlanabileceği anlamına geliyor.
Söz konusu materyal, daha kısa dalga boylarının geçmesine izin verirken kızılötesi enerjiyi yansıtmak için yıkıcı girişim adı verilen bir fenomen kullanıyor. Bu, ısıyı elektriğe dönüştüren ancak kızılötesi enerjiyi kullanamayan termofotovoltaik hücrelerdeki ısı israfını, kızılötesi
dalgaları sisteme geri yansıtarak potansiyel olarak azaltabilir.
Malzeme ayrıca optik fotovoltaik, termal görüntüleme, çevresel bariyer kaplamaları, algılama, kızılötesi gözetim cihazlarına yakalanmayan kamuflaj ve diğer uygulamalarda da faydalı olabilir.
UM Kimya Mühendisliği bölümünde yardımcı doçent olan ve Nature Nanotechnology’deki çalışmanın ortak yazarı Andrej Lenert, “Bu materyalin çalışma prensibi, kelebek kanatlarının rengini elde etmek için dalga girişimini kullanma biçimine benzer.
Kelebek kanatları renksiz maddelerden oluşur, ancak bu maddeler beyaz ışığın bazı dalga
boylarını emecek, ancak diğerlerini yansıtacak şekilde yapılandırılmıştır” açıklamasını yaptı.
“Bu materyal, kızılötesi enerjiyle benzer bir şey yapıyor. Zorlu kısım, renk üreten yapının yüksek ısı altında bozulmasını önlemek.” Söz konusu yaklaşım, kızılötesi emisyonları sınırlamak için tipik olarak köpük ve seramik kullanan mühendislik ürünü termal emitörlerin mevcut durumundan büyük bir sapma niteliği gösteriyor.
Bu materyaller yüksek sıcaklıkta stabildir ancak geçiş yapacak dalga boyları konusunda oldukça sınırlı bir kontrol imkanı tanır. Nanofotonikler çok daha ayarlanabilir bir kontrol imkanı sunabilir, ancak geçmişteki çalışmalar yüksek sıcaklıklarda stabil olamamış, genellikle erime veya oksitlenme (demir üzerinde pas oluşturan süreç) ile sonuçlanmıştır.
Ayrıca birçok nanofotonik materyal, stabilitesini ancak bir vakumda koruyabilir. Yeni
materyal, açık havada 900 derece Fahrenhayt’tan fazla hava-kararlı(air-stable) fotonik kristalleri arasında ısı direncinde önceki rekoru kırarak bu sorunu çözmeye çalışıyor.
Ek olarak, malzeme ayarlanabilir özellikte, bu da araştırmacıların çok çeşitli potansiyel uygulamalar için enerjiyi değiştirmek üzere ince ayar yapmasına olanak tanıyor.
Araştırma ekibi, bu materyalin mevcut TPV’lere uygulanmasının verimliliği %10 artıracağını öngördü ve daha fazla optimizasyon ile çok daha fazla verimlilik kazanımının mümkün olacağına inanıyor. Ekip, kimya mühendisliği ve malzeme bilimi uzmanlığını birleştirerek bir çözüm geliştirdi.
Lenert’in kimya mühendisliği ekibi, erimeye başlasalar dahi karışmayan malzemeleri arayarak işe başladılar. Lenert, “Amaç, nesneler çok ısındığında bile, ışığı istediğimiz şekilde yansıtan güzel, net katmanları koruyacak malzemeler bulmaktır. Bu yüzden oldukça farklı kristal yapılara sahip malzemeler aradık, çünkü bu malzemeler genellikle karışmama eğilimi gösteriyorlar.”
Araştırmacılar, kalsiyum ve titanyum oksitlerden oluşan bir mineral olan kaya tuzu ve perovskit kombinasyonunun amaçlarına uygun olduğunu varsaydılar. UM ve Virginia Üniversitesi’ndeki araştırma ortakları, bu kombinasyonun iyi bir seçim olduğunu doğrulamak için süper bilgisayar simülasyonları yürüttüler.
Çalışmanın ortak yazarı ve UM’de malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti olan John Heron ile aynı alanda doktora öğrencisi olan Matthew Webb, daha sonra pürüzsüz arayüzlere sahip hassas katmanlar elde etmek için darbeli lazer biriktirme kullanarak materyali dikkatli bir şekilde yerleştirdi.
Materyali daha dayanıklı hale getirmek için geleneksel fotonik malzemeler yerine oksitler
kullandılar; oksitler daha hassas bir şekilde katmanlanabilir ve yüksek ısı altında bozulma olasılığı daha düşüktür.
Heron, “Önceki çalışmada, geleneksel malzemeler yüksek ısı altında oksitlendi ve düzenli katmanlı yapılarını kaybetti. Ancak oksitlerle başladığınızda, bu bozulma aslında çoktan gerçekleşmiş oluyor. Bu da son katmanlı yapıda daha yüksek stabilite sağlıyor.”
Test, malzemenin tasarlandığı gibi çalıştığını doğruladıktan sonra, çalışmanın ilk yazarı ve UM’de malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencisi olan Sean McSherry, çalışması muhtemel yüzlerce başka malzeme kombinasyonunu belirlemek için bilgisayar modellemesi kullandı.
Çalışmada test edilen malzemenin ticari uygulaması muhtemelen yıllar sonra gerçekleşebilecek olsa da, çekirdek keşif, gelecekteki araştırmacıların çeşitli uygulamalar için bir dizi yeni malzeme geliştirmesine yardımcı olabilecek çeşitli nanofotonik malzemelere yönelik yeni bir araştırma hattı açıyor.
Kaynak
More information: Sean McSherry et al, Nanophotonic control of thermal emission under extreme temperatures in air, Nature Nanotechnology (2022).
DOI: 10.1038/s41565-022-01205-1 / Journal information: Nature Nanotechnology / Provided by University of Michigan
https://phys.org/news/2022-09-heat-resistant-nanophotonic-material-electricity.html
