Potenciales de modulación IR. (A) Esquemas de un dispositivo RSE nanoscópico basado en película de Pt (izquierda) antes y (derecha) después de la electrodeposición. (B) Resistencia laminar de las películas de Pt evaporado para diferentes espesores de Pt. El recuadro muestra fotografías de (izquierda) la película de Pt de 1 nm y (derecha) de las películas de Pt de 2 nm después de la electrodeposición en un sistema de tres electrodos RSE, y la placa reflectora de luz es el contraelectrodo de Pt en el sistema de tres electrodos. (C) Crecimiento Volmer-Weber de metales nobles en superficies heterogéneas. El recuadro muestra las morfologías superficiales muy ampliadas de las películas de Pt evaporadas sobre sustrato de BaF2 con un espesor de Pt de 4 nm. (D) Índice de refracción espectral del sustrato BaF2 y película de Pt. (E) La relación de transmitancia IR promedio (T%), reflectancia IR promedio (R%), absorbancia IR media inducida por Pt (PA%), y absorbancia IR media inducida por el sustrato (SA%) de los sustratos de BaF2 evaporados con Pt en el intervalo de 3 a 14 µm. (F) Espectros de reflectancia IR total del sustrato de Pt / BaF2 de 3 nm antes y después de la electrodeposición de Ag (15 s) en un sistema de tres electrodos RSE. El espectro de reflectancia IR total de la película de oro estándar (Au) cubierta con sustrato de BaF2 representa un caso ideal, en el que la parte de absorción de IR inducida por Pt y la parte de transmisión de IR del sustrato de Pt / BaF2 de 3 nm se han convertido totalmente en reflexión de IR. (G) Esquemas y morfologías de superficie de películas de Ag electrodepositadas en (izquierda) un electrodo ITO comercial y (derecha) una película de Pt de 3 nm. Crédito de la foto:Mingyang Li, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba3494
Muchas especies han desarrollado estrategias notables de forma natural para adaptarse visualmente a sus entornos para la protección y la depredación. Los investigadores han estudiado el camuflaje adaptativo en el espectro infrarrojo (IR), aunque el método es muy difícil de desarrollar en el laboratorio. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Mingyang Li y un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa en China, desarrolló dispositivos de camuflaje térmico adaptativo que unían las propiedades ópticas y radiativas de las películas de Pt electrodepositadas de platino (Pt) y plata (Ag) nanoscópicas. Los dispositivos a base de metal se mantuvieron grandes, uniforme, y sintonizaciones de IR consistentes en las ventanas de transmisión atmosférica (ATW) de IR de onda media (MWIR) e IR de onda larga (LWIR). El equipo multiplexó y amplió los dispositivos, permitiendo flexibilidad para las capacidades de camuflaje. La tecnología es ventajosa en una variedad de plataformas de camuflaje y en muchas tecnologías de gestión de radiación térmica.
En los últimos años se han realizado grandes esfuerzos de investigación para controlar las características infrarrojas (IR) de los objetos para camuflarse en el espectro IR. Para alcanzar esta meta, los científicos deben controlar con precisión el calor radiante emitido por un objeto para que coincida con el fondo. Basado en la ley de Stefan-Boltzmann, el calor radiante de un objeto es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta y la emitancia de la superficie. Para el control dinámico de la temperatura o emitancia térmica del objeto, Los científicos ofrecen redes de microfluidos y sistemas termoeléctricos como posibles enfoques para mantener el camuflaje térmico adaptativo. Inspirado en las múltiples propiedades ópticas y radiativas de los metales, Li y col. informó sobre dispositivos de electrodeposición (RSE) de plata (Ag) reversibles basados en películas nanoscópicas de platino (Pt) para obtener excelentes capacidades de camuflaje térmico adaptativo.
Dado que las películas de platino nanoscópicas tienen una alta absorción de infrarrojos y una transmisión de infrarrojos parcial, esto podría transformarse en absorción a través de la capa de electrolito de gel absorbente de IR en la configuración. La aplicación del voltaje de deposición en el sistema permitió la electrodeposición gradual de plata en las películas nanoscópicas de platino, convertir gradualmente la absorción y transmisión de infrarrojos en reflexión de infrarrojos para permitir estados de baja emisión de los dispositivos. Las películas nanoscópicas de Pt no se pudieron disolver, por lo tanto, Permitieron múltiples ciclos de deposición y disolución de Ag, para cambiar entre estados de alta y baja emisión durante muchos ciclos. Li y col. desarrolló diversos dispositivos con múltiples revestimientos estructurales, sustratos rugosos y flexibles para formar formatos multiplexados para expandir los escenarios de camuflaje.
Respuestas dinámicas de infrarrojos del dispositivo. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba3494
Para explorar la regulación de IR en los dispositivos basados en metal, El equipo estudió primero las propiedades eléctricas de las películas nanoscópicas de Pt. Examinaron las respuestas espectrales de la película, donde el aumento del espesor de Pt mostró enormes disminuciones en la transmitancia de IR para indicar que la absorción de IR dominaba la respuesta espectral de las películas delgadas. Los científicos examinaron además los rangos potenciales de modulación IR y la estabilidad cíclica de las películas nanoscópicas de platino en una película de electrodeposición de plata reversible (RSE) de tres electrodos. Debido a la interfaz de energía favorable entre Ag y Pt, la película de Ag electrodepositada mostró comparativamente más uniforme, morfologías coherentes y de grano fino en la película de Pt de 3 nm. Esta característica permitió a los científicos convertir la película de Pt nanoscópica en una película reflectante de alta IR en un corto período de tiempo. Las curvas de ciclo potenciostático casi idénticas en el sistema confirmaron su capacidad para realizar una electrodeposición estable y reversible en las películas nanoscópicas de Pt.
Para evaluar el rendimiento IR de los dispositivos ensamblados con diferentes espesores de Pt, Li y col. los adjuntó a un 50 0 C y registraron sus imágenes MWIR (IR de onda media) y LWIR (IR de onda larga) en tiempo real. El equipo aplicó un voltaje negativo de 2,2 V para electrodepositar gradualmente películas de Ag en la superficie de Pt, a medida que la temperatura aparente de estos dispositivos disminuyó gradualmente. Cuando los investigadores aplicaron un voltaje positivo de 0,8 V a partir de entonces, la película de Ag electrodepositada podría disolverse completamente en el electrolito, y volvió a sus estados iniciales para indicar la reversibilidad de los dispositivos. El dispositivo podría funcionar de manera constante durante hasta 350 ciclos completamente reversibles para confirmar su estabilidad y reversibilidad para el camuflaje térmico adaptativo.
Rendimiento de infrarrojos dinámico. (A y B) Imágenes MWIR y LWIR en tiempo real del dispositivo-2 y del dispositivo-3 durante el proceso de electrodeposición, respectivamente. (C y D) Curvas de temperatura aparente (región central) de los dispositivos ensamblados en las imágenes MWIR y LWIR durante el proceso de electrodeposición. (E) Curvas de diferencia de temperatura aparente entre las regiones central y periférica de los dispositivos ensamblados en las imágenes LWIR durante el proceso de electrodeposición. (F) Espectros de reflectancia IR total en “tiempo real” del dispositivo-3. (G) Rangos máximos de sintonización de emitancia del dispositivo-3, dispositivo-4, y dispositivo-5 en los ATW MWIR y LWIR. (H) Rendimiento cíclico del dispositivo-3 (monitoreado por las curvas de temperatura aparente en sus regiones central y periférica en las imágenes LWIR). (I) Espectros de reflectancia IR total del dispositivo-3 (en estado de baja emisión) y una superficie de baja emisión no selectiva espectralmente en el rango de 2,5 a 25 μm. La región sombreada en amarillo indica la radiación térmica de un cuerpo negro de 330 K. Los porcentajes (3, 15, 43,3, y 38,6%) que se muestran en la figura representan la proporción de energía radiante en el rango de 3 a 5 μm (MWIR), De 5 a 7,5 μm, 7,5 a 13 μm (LWIR), y de 13 a 25 μm, respectivamente. (J) Variaciones de temperatura real del dispositivo-3 (en estado de baja emisión) y una superficie de baja emisión no selectiva durante las mediciones térmicas. Crédito de la foto:Mingyang Li, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa.
Para multiplexar y ampliar el dispositivo, Li y col. construyó una matriz conmutable de IR multiplexada de tres por tres y un dispositivo independiente ampliado. Controlando el tiempo de electrodeposición combinado de sus píxeles independientes, los científicos generaron las letras "N", "U", "D", y "T" con diferentes temperaturas como imágenes LWIR en la matriz. El trabajo mostró la adaptabilidad de los antecedentes complejos y la viabilidad de un área grande de los sistemas adaptativos. A continuación, el equipo amplió el escenario de camuflaje del mecanismo de modulación de infrarrojos dinámico basado en metal en dispositivos ásperos y flexibles. Durante el trabajo reemplazaron el fluoruro de bario pulido (BaF 2 ) sustratos con versiones rugosas y utilizaron películas de polipropileno (PP) para depositar las películas nanoscópicas de Pt. Debido a la rugosidad a escala micrométrica de BaF 2 y mala humectabilidad de la película de PP, El equipo notó el requisito de que las películas de Pt más gruesas formen películas conductoras de electricidad y conectadas físicamente. El áspero BaF 2 El dispositivo basado en el dispositivo reflejó de manera difusa la matriz térmica exterior en la configuración y suprimió su propia radiación IR para reducir eficazmente el impacto del entorno externo. Las variantes adaptativas ásperas y flexibles desarrolladas en el trabajo destacaron la compatibilidad de múltiples sustratos del mecanismo de modulación IR basado en metal, lo que amplió los escenarios de camuflaje del dispositivo.
Dispositivos adaptativos multiplexados y ampliados. (A) Imágenes LWIR de una matriz multiplexada de tres por tres (izquierda) antes y (derecha) después de la electrodeposición selectiva de diferentes píxeles para diferentes tiempos. (B) Imágenes LWIR de un dispositivo independiente ampliado (izquierda) antes y (derecha) después de la electrodeposición para diferentes momentos. Crédito de la foto:Mingyang Li, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba3494
Li y col. luego combinó los dispositivos con recubrimientos de colores estructurales para mejorar su compatibilidad visible a fin de evitar su detección visible durante el día. Para esto, utilizaron una serie de escalas de longitud de onda visible, óxido de cromo espeso (Cr 2 O 3 ) capas entre el BaF 2 sustrato y películas de Pt nanoscópicas. Al depositar diferentes espesores de Cr 2 O 3 capas, debido a sus efectos de interferencia de película delgada en el espectro visible, los dispositivos "decorados" mostraban varios colores. Los científicos notaron que los colores estructurales cambiaban de colores relativamente oscuros a colores más pronunciados en la configuración. La CR 2 O 3 Las capas solo generaban colores en el espectro visible y, por lo tanto, ejercían poca influencia en el rendimiento de infrarrojos de los dispositivos. Los resultados mostraron la posibilidad de integrar diseños ópticos simples en los sistemas adaptativos para una compatibilidad visible, haciendo que los dispositivos sean más difíciles de detectar durante el día.
Compatibilidad visible. (A) Esquemas de un dispositivo adaptativo decorado con capa de Cr2O3 de espesor de escala de longitud de onda visible (izquierda) antes y (derecha) después de la electrodeposición. (B) Fotografías y espectros de reflectancia visible en “tiempo real” de los dispositivos adaptativos decorados con Cr2O3 antes y después de la electrodeposición (15 s). (C) Espectros de transmitancia total de visible a IR de los sustratos de BaF2 recubiertos con Cr2O3. (D) Espectros de reflectancia IR total en “tiempo real” de los dispositivos adaptativos decorados con Cr2O3 antes y después de la electrodeposición (15 s). (E) Rangos máximos de sintonización de emitancia del dispositivo adaptativo sin decorar (dispositivo-3) y los dispositivos adaptativos decorados con Cr2O3. Crédito de la foto:Mingyang Li, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba3494
De este modo, Mingyang Li y sus colegas desarrollaron dispositivos de camuflaje adaptativo depositando plata de manera reversible en películas nanoscópicas de platino. Los dispositivos mostraban grandes uniforme, y sintonizaciones IR consistentes en ventanas de transmisión atmosférica IR de onda media e IR de onda larga. Los científicos multiplexaron fácilmente los dispositivos modelando películas de Pt nanoscópicas o agregando rejillas conductoras para una adaptabilidad de fondo compleja y flexibilidad de área grande. El equipo logró una compatibilidad visible al agregar una serie de Cr de espesor de escala de longitud de onda visible 2 O 3 capas. Los dispositivos desarrollados en este trabajo pueden inspirar a la próxima generación de plataformas de camuflaje térmico adaptativo que controlan de manera rápida y precisa la radiación térmica y el camuflaje en respuesta a la detección multiespectral y la adaptabilidad a entornos complejos. Estos dispositivos tendrán aplicaciones en todas las técnicas de gestión de la radiación térmica, incluidos los edificios energéticamente eficientes, ropa de termorregulación y en naves espaciales inteligentes.
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