Los físicos han descubierto propiedades radicalmente nuevas en un nanomaterial que abre nuevas posibilidades para células termofotovoltaicas altamente eficientes. que algún día podría cosechar calor en la oscuridad y convertirlo en electricidad.

El equipo de investigación de la Universidad Nacional de Australia (Centro de Excelencia ARC CUDOS) y la Universidad de California Berkeley demostró un nuevo material artificial, o metamaterial, que brilla de una manera inusual cuando se calienta.

Los hallazgos podrían impulsar una revolución en el desarrollo de células que convierten el calor irradiado en electricidad. conocidas como células termofotovoltaicas.

"Las células termofotovoltaicas tienen el potencial de ser mucho más eficientes que las células solares, ", dijo el Dr. Sergey Kruk de la Escuela de Investigación de Física e Ingeniería de ANU.

"Nuestro metamaterial supera varios obstáculos y podría ayudar a desbloquear el potencial de las células termofotovoltaicas".

Se ha previsto que las células termofotovoltaicas sean más de dos veces más eficientes que las células solares convencionales. No necesitan luz solar directa para generar electricidad, y en su lugar pueden recolectar calor de su entorno en forma de radiación infrarroja.

También se pueden combinar con un quemador para producir energía bajo demanda o pueden reciclar el calor irradiado por motores calientes.

La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza .

El metamaterial del equipo, hecho de diminutas estructuras nanoscópicas de oro y fluoruro de magnesio, irradia calor en direcciones específicas. La geometría del metamaterial también se puede modificar para emitir radiación en un rango espectral específico, en contraste con los materiales estándar que emiten su calor en todas direcciones como una amplia gama de longitudes de onda infrarrojas. Esto lo hace ideal para su uso como emisor combinado con una celda termofotovoltaica.

El proyecto comenzó cuando el Dr. Kruk predijo que el nuevo metamaterial tendría estas propiedades sorprendentes. El equipo de ANU luego trabajó con científicos de la Universidad de California Berkeley, que tienen una experiencia única en la fabricación de dichos materiales.

"Para fabricar este material, el equipo de Berkeley operaba a la vanguardia de las posibilidades tecnológicas, "Dijo el Dr. Kruk.

"El tamaño del bloque de construcción individual del metamaterial es tan pequeño que podríamos caber más de doce mil de ellos en la sección transversal de un cabello humano".

La clave del comportamiento notable del metamaterial es su nueva propiedad física, dispersión hiperbólica magnética. La dispersión describe las interacciones de la luz con los materiales y se puede visualizar como una superficie tridimensional que representa cómo se propaga la radiación electromagnética en diferentes direcciones. Para materiales naturales, como el vidrio o los cristales, las superficies de dispersión tienen formas simples, esférico o elipsoidal.

La dispersión del nuevo metamaterial es drásticamente diferente y toma forma hiperbólica. Esto surge de las interacciones notablemente fuertes del material con el componente magnético de la luz.

La eficiencia de las células termovoltaicas basadas en el metamaterial se puede mejorar aún más si el emisor y el receptor tienen solo un espacio nanoscópico entre ellos. En esta configuración, La transferencia de calor por radiación entre ellos puede ser diez veces más eficiente que entre materiales convencionales.