Luz infrarroja - X (Diez) Curiosidades

Atrapando luz, mucha luz

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)

Convirtiendo calor en energía

Un nuevo tipo de cristal fotónico de alta temperatura desarrollado por el MIT podría en el futuro alimentar todo, desde teléfonos celulares hasta naves espaciales.

Par David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Un equipo de investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) desarrolló una manera de hacer una versión de alta-temperatura de un tipo de materiales llamados cristales fotónicos, utilizando metales como tungsteno (también llamado wolframio) o tantalio. Los nuevos materiales – que pueden operar a temperaturas de hasta 1,200 grados Celsius – podrían encontrar una amplia variedad de aplicaciones alimentando dispositivos electrónicos portátiles, de naves espaciales a sondas de espacio profundo, y nuevos emisores de luz infrarroja que podrían ser usados como detectores químicos y sensores.

Comparado a los intentos tempranos de hacer cristales fotónicos de alta temperatura, el nuevo acercamiento es “alto rendimiento, más sencillos, robustos y dóciles para la producción barata en gran escala”, dijo Ivan Celanovic, autor principal de una revista académica describiendo el trabajo en la revista científica PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences). Los co-autores de la revista académica fueron los profesores del MIT John Joannopoulos y Marin Soljačić, los estudiantes graduados Yi Xiang Yeng y Walker Chen, el afiliado Michael Ghebrebrhan y el antiguo posdoctorado Peter Bermel.

Estos nuevos cristales fotónicos bidimensionales de alta temperatura pueden ser fabricados casi completamente, utilizando técnicas de microfabricación estándar y equipo existente para manufacturar chips de computadora, dijo Celanovic, un ingeniero investigador el Instituto de Nanotecnologías de Soldado del MIT.

Mientras que hay cristales fotónicos naturales – como los ópalos, cuyos colores iridiscentes resultan de una estructura en capas con una escala comparable a las longitudes de onda de la luz visible – el trabajo actual involucra un material nanodiseñado a la medida para el rango infrarrojo. Todos los cristales fotónicos tienen una celosía (una estructura reticular de barras rectas interconectadas en nudos formando triángulos planos en celosías planas o pirámides tridimensionales en celosías espaciales) de un tipo de material intercaladas con espacios abiertos o un material complementario, para que permitan selectivamente ciertas longitudes de onda de luz que pasen mientras que otras sean absorbidas. Cuando se utilizan como emisores, pueden irradiar selectivamente ciertas longitudes de onda mientras que suprimen fuertemente otras.

Cristales fotónicos que puedan operar a muy altas temperaturas podrían abrir todo un rango de aplicaciones potenciales, incluyendo dispositivos para conversion solar-térmico o solar-químico, dispositivos alimentados por radioisótopos, generadores alimentados por hidrocarbonos componentes para exprimir energía del calor residual en plantas de energía o instalaciones industriales. Pero ha habido mucho obstáculos para crear dichos materiales: Las altas temperaturas pueden llevar a la evaporación, difusión, corrosión, agrietado, derretimiento o reacciones químicas rápidas de las nanoestructuras de los cristales. Para sobreponerse a estos desafíos, el equipo del MIT usó diseño guiado computarizado para crear una estructura de tungsteno de alta pureza, usando un diseño específico geométrico para evitar el daño cuando el material es calentado.

La NASA ha tomado interés en la investigación por su potencial para proveer energía de larga duración para misiones de espacio profundo que no pueden depender de la energía solar. Estas misiones típicamente utilizan generadores termales de radioisótopos (RTGs – radioisotope thermal generators), que recolectan la energía de una pequeña cantidad de material radioactivo. Por ejemplo, el nuevo robot Curiosity que se espera que llegue a marte este verano usa un sistema RTG; será capaz de operar continuamente por muchos años, a diferencia de las sondas alimentadas por energía solar que tienen que agacharse durante el invierno cuando la energía solar es insuficiente.

Otras aplicaciones potenciales incluyen maneras más eficientes de alimentar despositivos electrónicos portátiles. En lugar de baterías, estos dispositivos podrían llevar generadores termofotovoltáicos que producen electricidad de calor que se genera químicamente por microreactores, de un combustible como el butano (el gas que alimenta nuestros hogares). Para un dado peso y tamaño, dichos sistemas podrían permitirle a estos dispositivos operar 10 veces más tiempo del que lo hacen con las baterías actuales, dijo Celanovic.

Shawn Lin, un profesor de física en el Instituto Politécnico Pensselaer que se especializa en tecnología para fabricar circuitos del futuro, dice que la investigación en radiación termal a altas temperaturas “continua retando nuestro entendimiento científico de los diversos procesos de emisión con longitudes de onda pequeñas, y nuestra capacidad tecnológica”, Lin, que no estuvo involucrado en este trabajo, agrega, “este cristal de tungsteno bidimensional en particular es único, ya que es fácil de fabricar y además muy robusto para la operación en altas temperaturas. Este diseño de cristal fotónico debería encontrar aplicaciones importantes en los sistemas solar-térmicos y de conversión de energía.”

Mientras que siempre es difícil de predecir cuanto tiempo le llevará a los avances en ciencias básicas llegar a productos comerciales, Celanovic dice que él y sus colegas ya están trabajando en un sistema de integración y pruebas de aplicaciones. Podría haber productos basados en esta tecnología en tan solo dos años, dijo, y más probablemente dentro de los próximos cinco años.

Adicionalmente al producir energía, el mismo cristal fotónico puede ser utilizado para producir longitudes de onda de luz infrarroja precisamente sintonizados. Esto permitiría análisis espectroscópicos de materiales de alta precisión y llevar a detectores químicos sensibles, dijo.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Imagen
Una imagen microscópica de la estructura del cristal fotónico de tungsteno revela el espaciado uniforme preciso de cavidades fomadas en el material, que están sintonizadas a longitudes de onda de luz específicas. Imagen: Y.X. Yeng et al.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Nuevo material fosforecente

Material fosforescente — © Zhengwei Pan / UGA

Científicos de la Universidad de Georgia, encabezados por Zhengwei Pan, crearon un material que exponiéndolo solo un minuto a la luz solar puede generar luz infrarroja por un tiempo aproximado de 360 horas.

Los científicos utilizaron iones de cromo trivalentes (emisores de luz en el infrarrojo cercano de 800 a 2,500 micrómetros) que por la acción de los cuantos de luz del sol, pasan a un estado energético más alto, pero que al regresar a su estado inicial, los electrones expulsan la energía acumulada en forma de luz infrarroja durante varios milisegundos. Para aprovechar la particularidad de estos iones, los inventores crearon una estructura química, incrustando los iones de plomo en una matriz de un compuesto de Zinc, de esta forma la energía producida por los electrones agitados queda atrapada en esta matriz por más tiempo y al devolverlos a los iones de plomo, la sustancia emite luz infrarroja durante muchos días.

Tres años duraron los científicos para crear esta estructura química, la cual ya fue probada dentro y fuera de edificios, en días soleados, nublados y lluviosos, se mojó con agua dulce y salada y se introdujo en una solución corrosiva. El material no sufrió ningún daño.

Fuente:
http://actualidad.rt.com/