Un nuevo dispositivo reconfigurable que emite patrones de luz infrarroja térmica de una manera totalmente controlable podría algún día hacer posible recolectar el calor residual en longitudes de onda infrarrojas y convertirlo en energía utilizable.

La nueva tecnología podría utilizarse para mejorar los termofotovoltaicos, un tipo de célula solar que utiliza luz infrarroja, o calor, en lugar de la luz visible absorbida por las células solares tradicionales. Los científicos han estado trabajando para crear termofotovoltaicos que sean lo suficientemente prácticos como para recolectar la energía térmica que se encuentra en las áreas cálidas. como alrededor de hornos y hornos utilizados por la industria del vidrio. También podrían usarse para convertir el calor proveniente de los motores de los vehículos en energía para cargar la batería de un automóvil. por ejemplo.

"Porque la emisión de energía infrarroja, o intensidad, es controlable, este nuevo emisor de infrarrojos podría proporcionar una forma personalizada de recolectar y usar energía del calor, "dijo Willie J. Padilla de la Universidad de Duke, Carolina del Norte. "Existe un gran interés en utilizar el calor residual, y nuestra tecnología podría mejorar este proceso ".

El nuevo dispositivo se basa en metamateriales, materiales sintéticos que exhiben propiedades exóticas no disponibles en materiales naturales. Padilla y el estudiante de doctorado Xinyu Liu utilizaron un metamaterial diseñado para absorber y emitir longitudes de onda infrarrojas con una eficiencia muy alta. Combinándolo con el movimiento controlado electrónicamente disponible en los sistemas microelectromecánicos (MEMS), los investigadores crearon el primer dispositivo de metamaterial con propiedades de emisión de infrarrojos que se pueden cambiar rápidamente píxel por píxel.

Como se informó en la revista The Optical Society para investigaciones de alto impacto, Optica , el nuevo dispositivo emisor de infrarrojos consta de una matriz de 8 × 8 píxeles controlables individualmente, cada uno mide 120 X 120 micrones. Demostraron el dispositivo de metamaterial MEMS creando una "D" que es visible con una cámara infrarroja.

Los investigadores informan que su emisor de infrarrojos puede alcanzar un rango de intensidades de infrarrojos y puede mostrar patrones a velocidades de hasta 110 kHz. o más de 100, 000 veces por segundo. La ampliación de la tecnología podría permitir que se utilice para crear patrones de infrarrojos dinámicos para la identificación de amigos o enemigos durante el combate.

No hay calor involucrado

A diferencia de los métodos que se utilizan normalmente para lograr una emisión infrarroja variable, la nueva tecnología emite energías infrarrojas sintonizables sin ningún cambio de temperatura. Dado que el material no se calienta ni se enfría, el dispositivo se puede utilizar a temperatura ambiente, mientras que otros métodos requieren altas temperaturas de funcionamiento. Aunque los experimentos con materiales naturales han tenido éxito a temperatura ambiente, están limitados a rangos espectrales infrarrojos estrechos.

"Además de permitir el funcionamiento a temperatura ambiente, el uso de metamateriales facilita la escala en todo el rango de longitud de onda infrarroja y en las frecuencias visibles o más bajas, "dijo Padilla." Esto se debe a que las propiedades del dispositivo se logran mediante la geometría, no por la naturaleza química de los materiales constituyentes que estamos usando ".

El nuevo emisor de infrarrojos reconfigurable consta de una capa superior móvil de metamaterial metálico estampado y una capa metálica inferior que permanece estacionaria. El dispositivo absorbe fotones infrarrojos y los emite con alta eficiencia cuando las dos capas se tocan, pero emite menos energía infrarroja cuando las dos capas están separadas. Un voltaje aplicado controla el movimiento de la capa superior, y la cantidad de energía infrarroja emitida depende del voltaje exacto aplicado.

Emisión dinámica de infrarrojos

Usando una cámara de infrarrojos, los investigadores demostraron que podían modificar dinámicamente el número de fotones infrarrojos que salen de la superficie del metamaterial MEMS en un rango de intensidades equivalente a un cambio de temperatura de casi 20 grados Celsius.

Los investigadores dicen que podrían modificar los patrones de metamateriales utilizados en la capa superior para crear píxeles infrarrojos de diferentes colores que serían sintonizables en intensidad. Esto podría permitir la creación de píxeles infrarrojos similares a los píxeles RGB utilizados en un televisor. Ahora están trabajando para ampliar la tecnología creando un dispositivo con más píxeles (hasta 128 X 128) y aumentando el tamaño de los píxeles.

"En principio, un enfoque similar al nuestro podría usarse para crear muchos tipos de efectos dinámicos a partir de metamateriales reconfigurables, "dijo Padilla." Esto podría usarse para lograr una capa óptica infrarroja dinámica o un índice de refracción negativo en el infrarrojo, por ejemplo."