Un nuevo diseño de un metamaterial por el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) podría ser mucho más eficiente capturando la luz solar que las celdas solares existentes.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés)
Los metamateriales son una nueva clase de sustancias artificiales con propiedades diferentes a cualquiera encontrada en el mundo natural. Algunos han sido diseñados para actuar como mantos de invisibilidad; otros como superlentes, sistemas de antena o detectores altamente sensibles. Ahora, investigadores en el MIT y en otras partes han encontrado una manera de usar metamateriales para absorber un amplio rango de luz con eficiencia extremadamente alta, lo cual dicen que podría llevar a una nueva generación de celdas solares y sensores ópticos.
Nicholas X. Fang, un profesor de Diseño de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que la mayoría de materiales delgados usados para capturar completamente la luz están limitados a un rango muy angosto de longitudes de onda y ángulos de incidencia. El nuevo diseño usa un patrón de crestas en forma de cuña cuyos anchos están precisamente sintonizados a diferentes para alentar y capturar la luz en un gran rango de ancho de banda y ángulos de incidencia.
Estos materiales pueden ser extremadamente delgados, ahorrando peso y costo. Fang compara las estructuras al caracol del oído interno, que responde a diferentes frecuencias de sonido en diferentes puntos a través de su estructura que se va estrechando. “Nuestros oídos separan diferentes frecuencias y las recolecta a diferentes profundidades”, dijo; similarmente, las crestas del metamaterial recolectan fotones a diferentes profundidades.
La estructura actual del material es grabada alternando capas de metal y un material aislante llamado dieléctrico, cuya respuesta a la luz polarizada puede ser variada al cambiar un campo eléctrico aplicado al material. La creación de este nuevo material es descrita en una revista académica que será publicada en la futura edición del diario Nano Letters. Una versión preliminar de la revista académica de Fang – realizada junto con investigadores de la Univerzidad Zhejiang y la Universidad Taiyuan en China, y la Universidad de Illinois – está disponible en línea ahora.
King Hung Fung, un postdoctorado del MIT y co-autor de la revista académica en Nano Letters, dice, “Lo que hemos hecho es diseñar una estructura de diente de sierra con múltiples capas que puede absorber un amplio rango de frecuencias” con una eficiencia de más del 95%. Previamente, dicha eficiencia solo podía ser alcanzada con materiales sintonizados a una banda muy estrecha de longitudes de onda. “La absorción de alta eficiencia había sido alcanzada antes, pero este diseño tiene una ventana muy amplia” para colores de luz, dice Fung.
Los metamateriales han sido “un tema muy popular esta década”, dijo, “por que pueden ayudarnos a diseñar materiales funcionales que interactuan con luz de formas no convencionales”. Usando el metamaterial sintonizado, dice, su equipo fue capaz de alentar la luz a menos de una centésima de su velocidad normal en un vacio, haciendo mucho más fácil atraparla dentro del material. “Cuando algo va muy rápido, es difícil atraparlo”, dijo, “así que lo alentamos y es más fácil de absorber”.
El material puede ser fácilmente fabricado usando equipo que ya es estándar en la fabricación de celdas fotovoltaicas convencionales. Aunque el trabajo inicial estuvo basado en simulaciones de computadora, el equipo trabaja ahora en experimentos de laboratorio para confirmar sus hallazgos.
Además de celdas solares, el diseño puede ser usado para hacer detectores infrarrojos eficientes para un rango selecto de longitudes de onda. “Podemos mejorar selectivamente la interacción del material con la luz infrarroja a las langitudes de onda que queremos”, dijo Fung.
Fang dice que por su naturaleza, el material sería un emisor y absorbedor muy eficiente de fotones – así que adicionalmente al uso potencial en nuevos tipos de celdas solares o detectores infrarrojos, el material podría ser utilizado para aplicaciones emisoras de luz infrarroja, como dispositivos para generar electricidad a partir de calor. Además, los investigadores dicen que el principio podría ser escalado y ser usado para capturar o emitir radiación electromagnética a otras longitudes de onda, como microondas y frecuencias de terahertz. Incluso podría ser usado para producir luz visible con un costo de energía extremadamente bajo, creando un nuevo tipo de foco de alta eficiencia.
Richard Averitt, un profesor de física en la Universidad de Boston que no estuvo involucrado en esta investigación, llama a la estructura con forma de diente de sierra desarrollada por este equipo “un acercamiento único e impresionante hacia crear absorbedores de ancho de banda funcionales” que podrían tener aplicaciones en detección térmica y en recolección de luz para aplicaciones de energía. Advierte que se requiere de más trabajo para facilitar la fabricación e integración de los materiales, pero agrega, “Esta es una intrigante estructura que alenta ondas que deben inspirar nuevos desarrollos en este campo”.
El trabajo fue patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos, y la Fundación Nacional de Ciencia de China y la Oficina Asiática de Investigación y Desarrollo Aeroespacial.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)