Home > Presse- > Hitzebeständiges nanophotonisches Material könnte helfen, Wärme in Strom umzuwandeln: Der Schlüssel zum Sieg gegen die Hitze liegt im vorgängigen Abbau der Materialien
| Die Darstellung dieses Künstlers zeigt das Material, das Infrarotlicht reflektiert, während es andere Wellenlängen durchlässt. Bild: Andrej Lenert, University of Michigan |
Abstract:
Ein neues nanophotonisches Material hat Rekorde für Hochtemperaturstabilität gebrochen, was möglicherweise eine effizientere Stromerzeugung einleitet und eine Vielzahl neuer Möglichkeiten bei der Kontrolle und Umwandlung von Wärmestrahlung eröffnet.
Hitzebeständiges nanophotonisches Material könnte helfen, Wärme in Strom umzuwandeln: Der Schlüssel zur Bekämpfung der Hitze liegt darin, die Materialien im Voraus abzubauen
Ann Arbor, MI | Gepostet am 23
Das Material wurde von einem Team aus Chemie- und Materialwissenschaftsingenieuren unter der Leitung der University of Michigan entwickelt, kontrolliert den Fluss der Infrarotstrahlung und ist bei Temperaturen von 2,000 Grad Fahrenheit in der Luft stabil, eine fast zweifache Verbesserung gegenüber bestehenden Ansätzen.
Das Material verwendet ein Phänomen namens destruktive Interferenz, um Infrarotenergie zu reflektieren, während kürzere Wellenlängen durchgelassen werden. Dies könnte möglicherweise die Wärmeverschwendung in thermophotovoltaischen Zellen reduzieren, die Wärme in Strom umwandeln, aber keine Infrarotenergie nutzen können, indem Infrarotwellen zurück in das System reflektiert werden. Das Material könnte auch in der optischen Photovoltaik, Wärmebildtechnik, Umweltbarrierebeschichtungen, Sensorik, Tarnung vor Infrarotüberwachungsgeräten und anderen Anwendungen nützlich sein.
„Es ähnelt der Art und Weise, wie Schmetterlingsflügel Welleninterferenzen verwenden, um ihre Farbe zu erhalten. Schmetterlingsflügel bestehen aus farblosen Materialien, aber diese Materialien sind so strukturiert und gemustert, dass sie einige Wellenlängen des weißen Lichts absorbieren, andere jedoch reflektieren, wodurch das Erscheinungsbild von Farbe entsteht“, sagte Andrej Lenert, UM-Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen und Co. korrespondierender Autor der Studie in Nature Photonics.
„Dieses Material macht etwas Ähnliches mit Infrarotenergie. Die Herausforderung bestand darin, den Zusammenbruch dieser farberzeugenden Struktur bei großer Hitze zu verhindern.“
Der Ansatz ist eine große Abweichung vom derzeitigen Stand der technischen Wärmestrahler, die typischerweise Schäume und Keramiken verwenden, um Infrarotemissionen zu begrenzen. Diese Materialien sind bei hohen Temperaturen stabil, bieten jedoch nur eine sehr begrenzte Kontrolle darüber, welche Wellenlängen sie durchlassen. Nanophotonik könnte eine viel besser abstimmbare Kontrolle bieten, aber frühere Bemühungen waren bei hohen Temperaturen nicht stabil, da sie oft schmelzen oder oxidieren (der Prozess, der Rost auf Eisen bildet). Zudem behalten viele nanophotonische Materialien ihre Stabilität nur im Vakuum.
Das neue Material arbeitet an der Lösung dieses Problems und übertrifft den bisherigen Rekord für Hitzebeständigkeit unter luftstabilen photonischen Kristallen um mehr als 900 Grad Fahrenheit im Freien. Darüber hinaus ist das Material abstimmbar, sodass Forscher es optimieren können, um die Energie für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen zu modifizieren. Das Forschungsteam prognostizierte, dass die Anwendung dieses Materials auf bestehende TPVs die Effizienz um 10 % steigern wird, und glaubt, dass mit weiterer Optimierung noch viel größere Effizienzgewinne möglich sein werden.
Das Team entwickelte die Lösung durch die Kombination von Fachwissen aus Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften. Lenerts Chemieingenieurteam begann mit der Suche nach Materialien, die sich nicht vermischen würden, selbst wenn sie zu schmelzen beginnen würden.
„Das Ziel ist es, Materialien zu finden, die schöne, knackige Schichten beibehalten, die das Licht so reflektieren, wie wir es wollen, selbst wenn es sehr heiß wird“, sagte Lenert. „Also haben wir nach Materialien mit sehr unterschiedlichen Kristallstrukturen gesucht, weil sie sich eher nicht vermischen wollen.“
Sie stellten die Hypothese auf, dass eine Kombination aus Steinsalz und Perowskit, einem Mineral aus Kalzium- und Titanoxiden, in die Rechnung passt. Mitarbeiter von UM und der University of Virginia führten Supercomputer-Simulationen durch, um zu bestätigen, dass die Kombination eine gute Wahl war.
John Heron, Co-korrespondierender Autor der Studie und Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik an der UM, und Matthew Webb, Doktorand in Materialwissenschaften und -technik, lagerten das Material dann sorgfältig mit gepulster Laserabscheidung ab, um präzise und glatte Schichten zu erzielen Schnittstellen. Um das Material noch haltbarer zu machen, verwendeten sie Oxide anstelle herkömmlicher photonischer Materialien; Die Oxide können präziser geschichtet werden und werden bei hoher Hitze weniger wahrscheinlich abgebaut.
„In früheren Arbeiten oxidierten traditionelle Materialien unter hoher Hitze und verloren ihre geordnete Schichtstruktur“, sagte Heron. „Aber wenn man mit Oxiden anfängt, hat dieser Abbau im Wesentlichen bereits stattgefunden. Das führt zu einer erhöhten Stabilität des endgültigen Schichtaufbaus.“
Nachdem Tests bestätigt hatten, dass das Material wie vorgesehen funktionierte, verwendete Sean McSherry, Erstautor der Studie und Doktorand in Materialwissenschaft und -technik an der UM, Computermodelle, um Hunderte anderer Materialkombinationen zu identifizieren, die wahrscheinlich ebenfalls funktionieren. Während die kommerzielle Umsetzung des in der Studie getesteten Materials wahrscheinlich noch Jahre entfernt ist, eröffnet die Kernentdeckung eine neue Forschungsrichtung zu einer Vielzahl anderer nanophotonischer Materialien, die zukünftigen Forschern helfen könnten, eine Reihe neuer Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln.
Die Forschung wurde vom Verteidigungsministerium, Defense Advanced Research Projects Agency, Fördernummer HR00112190005 unterstützt.
####
Für weitere Informationen - hier
Kontakte:
Katherine McAlpine
University of Michigan
Gabe Cherry
University of Michigan
Copyright © Universität von Michigan
Wenn Sie einen Kommentar haben, bitte Kontakt mit uns auf.
Emittenten von Pressemitteilungen, nicht 7th Wave, Inc. oder Nanotechnology Now, sind allein für die Richtigkeit des Inhalts verantwortlich.
Lesezeichen:
| Verwandte Links |
| Verwandte Nachrichten Presse |
Nachrichten und Informationen
Lösungsmittelstudie löst das Rätsel um die Haltbarkeit von Solarzellen: Ein von Rice geleitetes Projekt könnte Perowskit-Zellen für die Hauptsendezeit bereit machen September 23rd, 2022
Chicago Quantum Exchange heißt sechs neue Partner aus Chicago und darüber hinaus willkommen, die Quantentechnologielösungen hervorheben September 23rd, 2022
Das Verpacken von Kupferwürfeln in Nanogröße kann dabei helfen, Kohlendioxid in andere Chemikalien umzuwandeln September 23rd, 2022
Govt.-Gesetzgebung / Regulierung / Finanzierung / Politik
Lösungsmittelstudie löst das Rätsel um die Haltbarkeit von Solarzellen: Ein von Rice geleitetes Projekt könnte Perowskit-Zellen für die Hauptsendezeit bereit machen September 23rd, 2022
Das Verpacken von Kupferwürfeln in Nanogröße kann dabei helfen, Kohlendioxid in andere Chemikalien umzuwandeln September 23rd, 2022
Reduzierter Stromverbrauch in Halbleiterbauelementen September 23rd, 2022
Mögliche Futures
Chicago Quantum Exchange heißt sechs neue Partner aus Chicago und darüber hinaus willkommen, die Quantentechnologielösungen hervorheben September 23rd, 2022
Das Verpacken von Kupferwürfeln in Nanogröße kann dabei helfen, Kohlendioxid in andere Chemikalien umzuwandeln September 23rd, 2022
Aktualisieren Sie Ihren Computer auf Quantum September 23rd, 2022
Entdeckungen
Aktualisieren Sie Ihren Computer auf Quantum September 23rd, 2022
Schlüsselelement für einen skalierbaren Quantencomputer: Physiker des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen demonstrieren Elektronentransport auf einem Quantenchip September 23rd, 2022
Ankündigungen
Chicago Quantum Exchange heißt sechs neue Partner aus Chicago und darüber hinaus willkommen, die Quantentechnologielösungen hervorheben September 23rd, 2022
Das Verpacken von Kupferwürfeln in Nanogröße kann dabei helfen, Kohlendioxid in andere Chemikalien umzuwandeln September 23rd, 2022
Aktualisieren Sie Ihren Computer auf Quantum September 23rd, 2022
Interviews / Buchbesprechungen / Essays / Berichte / Podcasts / Zeitschriften / White Papers / Poster
Modulation der MoSe2-Funktionsebene über eine Doping-Defekt-Engineering-Strategie zur Entwicklung leitfähiger und elektrokatalytischer Mediatoren in Li-S-Batterien September 23rd, 2022
Lösungsmittelstudie löst das Rätsel um die Haltbarkeit von Solarzellen: Ein von Rice geleitetes Projekt könnte Perowskit-Zellen für die Hauptsendezeit bereit machen September 23rd, 2022
Schlüsselelement für einen skalierbaren Quantencomputer: Physiker des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen demonstrieren Elektronentransport auf einem Quantenchip September 23rd, 2022
Militär
Lösungsmittelstudie löst das Rätsel um die Haltbarkeit von Solarzellen: Ein von Rice geleitetes Projekt könnte Perowskit-Zellen für die Hauptsendezeit bereit machen September 23rd, 2022
Die übergroße Rolle von Nanoporen verstehen: Neue Forschungsergebnisse zeigen Unterschiede im pH-Wert und mehr in diesen zuvor mysteriösen Umgebungen August 26th, 2022
Neuer Chip steigert die KI-Recheneffizienz August 19th, 2022
Energie
Lösungsmittelstudie löst das Rätsel um die Haltbarkeit von Solarzellen: Ein von Rice geleitetes Projekt könnte Perowskit-Zellen für die Hauptsendezeit bereit machen September 23rd, 2022
Das Verpacken von Kupferwürfeln in Nanogröße kann dabei helfen, Kohlendioxid in andere Chemikalien umzuwandeln September 23rd, 2022
Batterietechnologie / Kondensatoren / Generatoren / Piezoelektrik / Thermoelektrik / Energiespeicher
Modulation der MoSe2-Funktionsebene über eine Doping-Defekt-Engineering-Strategie zur Entwicklung leitfähiger und elektrokatalytischer Mediatoren in Li-S-Batterien September 23rd, 2022
Das neue Kathodendesign überwindet das Haupthindernis für bessere Lithium-Ionen-Batterien 9 September 2022
Die übergroße Rolle von Nanoporen verstehen: Neue Forschungsergebnisse zeigen Unterschiede im pH-Wert und mehr in diesen zuvor mysteriösen Umgebungen August 26th, 2022
Lithiophile Seeds und starre Arrays induzierten synergetisch dendritenfreie und stabile Li-Anode für langlebige Lithium-Sauerstoff-Batterien Juli 22nd, 2022
