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Un matériau nanophotonique résistant à la chaleur pourrait aider à transformer la chaleur en électricité

Un nouveau matériau nanophotonique a battu des records de stabilité à haute température, inaugurant potentiellement une production d’électricité plus efficace et ouvrant une variété de nouvelles possibilités dans le contrôle et la conversion du rayonnement thermique.

Développé par une équipe d’ingénieurs en chimie et en science des matériaux dirigée par l’Université du Michigan, le matériau contrôle le flux de rayonnement infrarouge et est stable à des températures de 2 000 degrés Fahrenheit dans l’air, une amélioration presque double par rapport aux approches existantes.

Le matériau utilise un phénomène appelé interférence destructive pour réfléchir l’énergie infrarouge tout en laissant passer des longueurs d’onde plus courtes. Cela pourrait potentiellement réduire le gaspillage de chaleur dans les cellules thermophotovoltaïques, qui convertissent la chaleur en électricité mais ne peuvent pas utiliser l’énergie infrarouge, en réfléchissant les ondes infrarouges dans le système. Le matériau pourrait également être utile dans le photovoltaïque optique, l’imagerie thermique, les revêtements de barrière environnementale, la détection, le camouflage à partir de dispositifs de surveillance infrarouge et d’autres applications.

Les images de microscopie ne montrent aucune dégradation perceptible avant et après le traitement thermique du matériau. Crédit photo : Andrej Lenert
Andrej Lenert
Andrej Lenert

« C’est similaire à la façon dont les ailes de papillon utilisent l’interférence des ondes pour obtenir leur couleur. Les ailes de papillon sont constituées de matériaux incolores, mais ces matériaux sont structurés et modelés de manière à absorber certaines longueurs d’onde de lumière blanche mais à en refléter d’autres, produisant l’apparence de la couleur », a déclaré Andrej Lenertprofesseur adjoint de génie chimique à l’UM et auteur co-correspondant de l’étude dans Nature Photonics.

“Ce matériau fait quelque chose de similaire avec l’énergie infrarouge. La partie difficile a été d’empêcher la dégradation de cette structure productrice de couleur sous une chaleur élevée.

L’approche est un changement majeur par rapport à l’état actuel des émetteurs thermiques techniques, qui utilisent généralement des mousses et des céramiques pour limiter les émissions infrarouges. Ces matériaux sont stables à haute température mais offrent un contrôle très limité sur les longueurs d’onde qu’ils laissent passer. La nanophotonique pourrait offrir un contrôle beaucoup plus ajustable, mais les efforts passés n’ont pas été stables à des températures élevées, souvent en fusion ou en oxydation (le processus qui forme la rouille sur le fer). De plus, de nombreux matériaux nanophotoniques ne conservent leur stabilité que dans le vide.

son rendu d'artiste montre le matériau réfléchissant la lumière infrarouge tout en laissant passer d'autres longueurs d'onde.  Crédit photo : Andrej Lenert
son rendu d’artiste montre le matériau réfléchissant la lumière infrarouge tout en laissant passer d’autres longueurs d’onde. Crédit photo : Andrej Lenert

Le nouveau matériau vise à résoudre ce problème, battant le précédent record de résistance à la chaleur parmi les cristaux photoniques stables à l’air de plus de 900 degrés Fahrenheit à l’air libre. De plus, le matériau est réglable, ce qui permet aux chercheurs de le modifier pour modifier l’énergie pour une grande variété d’applications potentielles. L’équipe de recherche a prédit que l’application de ce matériau aux TPV existants augmentera l’efficacité de 10 % et pense que des gains d’efficacité beaucoup plus importants seront possibles avec une optimisation plus poussée.

L’équipe a développé la solution en combinant l’expertise en génie chimique et en science des matériaux. L’équipe de génie chimique de Lenert a commencé par rechercher des matériaux qui ne se mélangeraient pas même s’ils commençaient à fondre.

“L’objectif est de trouver des matériaux qui maintiendront de belles couches nettes qui reflètent la lumière comme nous le souhaitons, même lorsque les choses deviennent très chaudes”, a déclaré Lenert. “Nous avons donc recherché des matériaux avec des structures cristallines très différentes, car ils ont tendance à ne pas vouloir se mélanger.”

Ils ont émis l’hypothèse qu’une combinaison de sel gemme et de pérovskite, un minéral composé d’oxydes de calcium et de titane, faisait l’affaire. Des collaborateurs de l’UM et de l’Université de Virginie ont effectué des simulations de supercalculateurs pour confirmer que la combinaison était un bon pari.

Jean Héron
Jean Héron

Jean Héron, co-auteur correspondant de l’étude et professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à l’UM, et Matthew Webb, doctorant en science et ingénierie des matériaux, ont ensuite soigneusement déposé le matériau à l’aide d’un dépôt laser pulsé pour obtenir des couches précises avec des interfaces lisses. Pour rendre le matériau encore plus durable, ils ont utilisé des oxydes plutôt que des matériaux photoniques conventionnels ; les oxydes peuvent être stratifiés plus précisément et sont moins susceptibles de se dégrader à haute température.

“Dans des travaux antérieurs, les matériaux traditionnels s’oxydaient à haute température, perdant leur structure en couches ordonnée”, a déclaré Heron. « Mais lorsque vous commencez avec des oxydes, cette dégradation a déjà eu lieu. Cela produit une stabilité accrue dans la structure en couches finale.

Après que les tests aient confirmé que le matériau fonctionnait comme prévu, Sean McSherry, premier auteur de l’étude et doctorant en science et ingénierie des matériaux à l’UM, a utilisé la modélisation informatique pour identifier des centaines d’autres combinaisons de matériaux qui sont également susceptibles de fonctionner. Bien que la mise en œuvre commerciale du matériau testé dans l’étude soit probablement dans des années, la découverte fondamentale ouvre une nouvelle voie de recherche sur une variété d’autres matériaux nanophotoniques qui pourraient aider les futurs chercheurs à développer une gamme de nouveaux matériaux pour une variété d’applications.

La recherche a été soutenue par le ministère de la Défense, Agence des projets de recherche avancée de la défense, numéro de subvention HR00112190005.

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