耐热纳米光子材料可以帮助将热量转化为电能

一种新的纳米光子材料打破了高温稳定性的记录，可能会带来更高效的电力生产，并为热辐射的控制和转换开辟各种新的可能性。该材料由密歇根大学领导的化学和材料科学工程师团队开发，可控制红外辐射的流动，并在2000华氏度的空气温度下保持稳定，比现有方法提高了近两倍。

该材料使用一种称为相消干涉的现象来反射红外能量，同时让较短的波长通过。通过将红外波反射回系统，这可能会减少热光伏电池中的热量浪费，该电池将热量转化为电能，但不能使用红外能量。该材料还可用于光学光伏、热成像、环境屏障涂层、传感、红外监视设备的伪装和其他应用。

“这类似于蝴蝶翅膀使用波干涉来获得颜色的方式。蝴蝶翅膀是由无色材料组成的，但这些材料的结构和图案以吸收某些波长的白光但反射其他波长的方式，产生外观颜色，”密歇根大学化学工程助理教授、自然纳米技术研究的共同通讯作者安德烈·莱纳特说。

“这种材料对红外能量有类似的作用。具有挑战性的部分是防止这种产生颜色的结构在高温下分解。”

该方法与工程热发射器的当前状态大相径庭，后者通常使用泡沫和陶瓷来限制红外发射。这些材料在高温下是稳定的，但对它们通过的波长的控制非常有限。纳米光子学可以提供更可调的控制，但过去的努力在高温下不稳定，经常熔化或氧化(在铁上形成生锈的过程)。此外，许多纳米光子材料只能在真空中保持其稳定性。

新材料致力于解决这个问题，在空气稳定的光子晶体中的耐热性打破了之前在露天的900华氏度以上的记录。此外，该材料是可调节的，使研究人员能够对其进行调整以修改能量以用于各种潜在的应用。研究小组预测，将这种材料应用于现有的TPV将提高10%的效率，并相信通过进一步优化将有可能获得更大的效率提升。

该团队通过结合化学工程和材料科学专业知识开发了解决方案。Lenert的化学工程团队首先寻找即使开始熔化也不会混合的材料。

“我们的目标是找到能够保持漂亮、清晰的层的材料，这些层能够以我们想要的方式反射光，即使当事情变得非常热时也是如此，”莱纳特说。“所以我们寻找具有非常不同晶体结构的材料，因为它们往往不想混合。”

他们假设岩盐和钙钛矿(一种由钙和钛氧化物制成的矿物)的组合符合要求。UM和弗吉尼亚大学的合作者进行了超级计算机模拟，以确认这种组合是一个不错的选择。

该研究的共同通讯作者、UM材料科学与工程助理教授JohnHeron和材料科学与工程博士生MatthewWebb然后使用脉冲激光沉积小心地沉积材料，以实现具有光滑的精确层接口。为了使材料更加耐用，他们使用了氧化物而不是传统的光子材料。氧化物可以更精确地分层，并且在高温下不太可能降解。

“在之前的工作中，传统材料在高温下会氧化，失去其有序的分层结构，”Heron说。“但是当你从氧化物开始时，这种降解基本上已经发生了。这会增加最终层状结构的稳定性。”

在测试证实该材料按设计工作后，该研究的第一作者、密歇根大学材料科学与工程专业的博士生肖恩·麦克雪利(SeanMcSherry)使用计算机建模来识别数百种其他也可能起作用的材料组合。虽然这项研究中测试的材料的商业实施可能需要数年时间，但核心发现开辟了对各种其他纳米光子材料的新研究方向，可以帮助未来的研究人员开发一系列用于各种应用的新材料。