Yeni tip kızılötesi yayıcı: Chaoying malzemesinden yapılmıştır, atık ısıyı kullanabilir!
Kılavuz
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Duke Üniversitesi'ndeki araştırmacılar ilk kez, yalnızca hızlı değişen kızılötesi desenleri göstermeyen, aynı zamanda atık ısı kullanımı için de kullanılabilen, "metamalzemelerden" yapılmış bir MEMS "kızılötesi yayıcı cihaz" tasarladılar. Ek olarak, bu yeniden konfigüre edilebilir metamalzemenin kızılötesi aralıktaki dinamik kızılötesi "optik pelerinlere" veya "negatif kırılma indisi ortamına" da uygulanması beklenir.
Teknik anahtar kelimeler
Metamalzemeler, negatif kırılma indisi, optik pelerin, atık ısı
arkaplan bilgisi
Makaleyi daha iyi okumak ve bu son teknoloji yenilikçi teknolojiyi anlamak için, John önce herkesi temel arka plan bilgisini anlamaya götürüyor.
-
Süper malzeme
Metamalzeme olarak da bilinen "Metamalzeme" (Metamalzeme), bir yapının yapay olarak tasarlanmasıyla gerçekleştirilen ve doğal malzemelerin sahip olamayacağı olağanüstü fiziksel özelliklere sahip bir kompozit malzemeyi ifade eder.Tipik meta malzemeler şunlardır: solak malzemeler, Fotonik kristaller, süper manyetik malzemeler
, Metal su vb. Olağanüstü fiziksel özellikler şunları içerir: negatif geçirgenlik, negatif geçirgenlik, negatif kırılma indisi vb.
Süper malzeme
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Bu malzemelerin uygulama alanları arasında fiber optik, tıbbi ekipman, havacılık, sensörler, altyapı izleme, akıllı güneş enerjisi yönetimi, radom, metamaterial radar anteni, akustik gizlilik teknolojisi, dalga emici malzemeler, holografik teknoloji vb.
Daha önce John, "Yeni Metamalzemeler: Terahertz Teknolojisinin Gelişimini Etkili Şekilde Arttırmak", "Geniş Uygulama Beklentilerine Sahip Yeni Metamalzemeler: Salınım Üretmek İçin Işık Enerjisini Emmek", "Bilim İnsanlarının Bilim Kurgudan Gerçeğe Metamalzeme Ekipmanı Holografik Teknolojisini Araştırma ve Geliştirme" başlıklı makalelerinde yazmıştı. Bu makalelerde, Metamalzemelerin bazı özel uygulamalarına değinilmektedir.
-
Negatif kırılma indisi
Hemen hemen tüm doğal malzemeler, cam veya su gibi optik ortamlarla karşılaştıklarında pozitif dielektrik sabiti ve geçirgenliğe sahiptir, bu nedenle hepsi pozitif kırılma indisli malzemelerdir. Doğal malzemelerden farklı olarak, metamalzemelerin negatif kırılma indisi vardır. Negatif indeksli materyallerin (Negatif indeksli materyaller) hem geçirgenliği hem de geçirgenliği negatiftir ve negatif bir kırılma indisi ile sonuçlanır.
Bu malzemeye bazen "solak ortam" denir.Optik malzemelerde, hem dielektrik sabiti hem de geçirgenlik pozitifse, ışık dalgası bu ortamda ileriye doğru yayılır; her ikisi de negatifse, ışık dalgası geri gider yaymak.
Negatif kırılma indisi diyagramı
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Genel olarak konuşursak, ışık farklı ortamların arayüzünden geçtiğinde, ışığın yayılma yolu değişecek ve artık düz bir çizgi boyunca ilerlemeyecek, yani kırılma meydana gelecektir. Suya bir çubuk sokulduğunda, çubuk suyun yüzeyinde kırılmış gibi görünüyor.Suyun içindeki kısım, hatta biraz bükülmüş görünüyor.
Ancak aşağıdaki resimde kırılma sonrası ışığın yayılması, pozitif kırılma indisi ortamındakinden farklıdır. Daha yakından bakabilirsiniz:
Negatif kırılma indisi fenomeni diyagramı, kırılan ışığın yayılma yönünün genel doğal maddelerde gözlemlediğimizden farklı olduğunu göstermektedir.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
-
Optik Görünmezlik Pelerini
Görünmezlik pelerini, giyildikten sonra görünmez olabilir. "Harry Potter" roman serisinde, bu bir çeşit Harry Potter büyüsü haline gelen çok büyülü bir destek.
Gerçek dünyada, 2014 yılında, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, optik gizliliğe ulaşabilen bir pelerin oluşturmak için yeni bir dağınık ışık saçan ortam türü kullandılar.
Dağınık ışık saçan ortamdaki ışık yolu diyagramında, soldaki test nesnesi gölgelendirilirken, yeni ortamı kullanan sağdaki nesnenin gölgesi yoktur.
(Resim kaynağı: Karlsruhe Institute of Technology)
2015'te, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Berkeley Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, görünür ışığı, kızılötesi ve X ışınlarını dağıtabilen ve bunu yapmak için gizli hedef nesnelerle etkileşime girebilen görünmez bir pelerin geliştirmek için "metamalzemeler" kullandı. İzlenemez.
Bu "ultra ince cilt görünmez pelerini", herhangi bir 3B nesneyi gizleyebilir. Şu anda, görünmez pelerin yalnızca mikroskobik bir seviyedir ve daha büyük nesneler gelecekte daha da görünmez olabilir.
(Resim kaynağı: Berkeley Lab)
Tabii ki, görünmez pelerinle ilgili daha çok araştırma var, bu yüzden burada ayrıntılı olarak tanıtmayacağım, daha sonra sizinle tartışacağım.
-
Atık ısı
Adından da anlaşılacağı gibi "atık ısı", boşa harcanan ısıdır, yani endüstriyel üretim veya taşımadan boşaltılan yüksek sıcaklıktaki egzoz gazı ve atık sıvı, geçmişte sıklıkla kullanılmayan büyük miktarda ısı enerjisi içerir, bu nedenle atık ısı veya atık ısı olarak adlandırılması alışılmış bir durumdur. Enerjinin bu kısmının geri dönüşümü yalnızca çevresel ısı kirliliğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda enerji kullanımını da iyileştirir. .
İnovasyon keşfi
Bu kadar alakalı arka plan bilgisini sunduktan sonra, bugünün konusuna girmeli ve Duke Üniversitesi'nin bu yenilikçi buluşunu tanıtmalıyız. Basitçe söylemek gerekirse:
Tamamen kontrol edilebilir bir şekilde farklı termal kızılötesi ışık desenleri yayabilen yeniden yapılandırılabilir bir cihazdır.Gelecekte kızılötesi dalga boylarının atık ısısını toplamak ve onu faydalı enerjiye dönüştürmek için kullanılacaktır.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Padilla ve doktora öğrencisi Xinyu Liu, kızılötesi ışınları çok verimli bir şekilde emebilen ve yayabilen, üretim ekipmanlarında kullanılan metamalzemeleri tasarladı.
Anahtar teknoloji
Araştırmacılar, piksel bazında hızla değişebilen kızılötesi emisyon özelliklerine sahip ilk metamalzeme cihazını tasarlamak için mikroelektromekanik sistemlerin (MEMS) elektronik kontrollü hareketi ile metamalzemeleri birleştirdiler.
Optica dergisi "Optica" da bildirildiği gibi, bu yeni tür kızılötesi yayıcı cihaz, 8 × 8 ayrı kontrol edilebilen bir piksel dizisinden oluşur ve her piksel 120 X 120 mikrondur.
Tek piksel görüntü
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Spesifik çalışma yöntemleri ve ilkeleri aşağıda kısaca açıklanmıştır:
Yeni yeniden yapılandırılabilir kızılötesi yayıcı, üstte desenli metal bir metamalzemeden ve altta sabit bir metal katmandan oluşur. Cihaz, iki katman temas ettiğinde kızılötesi fotonları emer ve onları yüksek frekansla uyarır; iki katman ayrıldığında cihaz daha az kızılötesi enerji yayar. Uygulanan voltaj, üst katmanın hareketini kontrol edebilir, bu nedenle yayılan kızılötesi enerji, uygulanan voltajın büyüklüğüne bağlıdır.
Bu MEMS metamalzeme cihazının gösterimi aşağıdaki şekilde gösterilmektedir: Kızılötesi kameranın altında büyük "D" harfi görülebilir.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Araştırmacılar, kızılötesi yayıcılarının 110 KHz'e kadar (saniyede 100.000 kez) bir dizi kızılötesi yoğunluk ve görüntüleme düzeni sağlayabildiğini bildirdi.
Yenilik değeri
-
Termal fotovoltaik hücre performansını iyileştirin
Bu yeni teknoloji, "termal fotovoltaik hücreleri" iyileştirmek için kullanılabilir. Termal fotovoltaik hücre, termal radyasyon enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir teknolojidir.Geleneksel güneş pilleri gibi görünür ışığı absorbe etmek yerine kızılötesi (veya ısı) kullanabilir.
Bilim adamları, cam endüstrisinde kullanılan fırınlar ve fırınlar etrafındaki ısı gibi daha sıcak alanlarda ısıyı absorbe etmek için termal fotovoltaik hücreler tasarlamak üzerinde çalışıyorlar. Örneğin, araba akülerini şarj etmek için bir otomobil motorundan gelen ısıyı elektriğe dönüştürmek için de kullanılabilirler.
Duke Üniversitesi'nden Willie J. Padilla şunları söyledi:
"Çünkü kızılötesi ışınların enerji radyasyonu veya yoğunluğu kontrol edilebilir. Bu yeni kızılötesi yayıcı türü, ısı enerjisini toplamak ve kullanmak için özelleştirilmiş bir yol sağlayabilir. Herkes bu atık ısıyı kullanmakla çok ilgileniyor ve bizim Teknoloji bu süreci iyileştirebilir. "
-
Oda sıcaklığında mevcuttur
Değişken kızılötesi yayıcıların diğer uygulamaları ile karşılaştırıldığında, bu yeni teknoloji, sıcaklıkta herhangi bir değişiklik olmaksızın ayarlanabilir kızılötesi enerji yayabilir. Materyal ne ısıtılmış ne de soğutulmuş olduğundan, bu cihaz oda sıcaklığında kullanılabilirken, diğer çözümlerin yüksek sıcaklıklarda çalışması gerekir.
Doğal malzemeler kullanılarak yapılan deneyler oda sıcaklığında da başarılı olabilse de, dar kızılötesi spektrumla sınırlıdır.
-
Ölçeklenebilir dalga boyu
Ek olarak, bu metamalzemenin uygulama aralığı genişletilebilir. Padilla, yanıt olarak şunları söyledi:
"Oda sıcaklığında çalışabilmenin yanı sıra, metamalzemelerin kullanımı kızılötesi dalga boylarından görünür ışığa veya daha düşük frekanslara da uzanabilir. Bunun nedeni, cihazın özelliklerine kullandığımız bileşenler aracılığıyla değil, geometri yoluyla ulaşılmasıdır. Malzemenin kimyasal özellikleri. "
-
Dinamik kızılötesi emisyon
Araştırmacılar, MEMS metamalzemesinin yüzeyinden yayılan kızılötesi fotonların sayısını çeşitli yoğunluklar altında (yaklaşık 20 santigrat derece sıcaklık değişimine göre) dinamik olarak değiştirebileceklerini göstermek için bir kızılötesi kamera kullandılar.
Değer
Araştırmacılar, her biri yoğunluğa göre ayarlanabilen farklı renklerde kızılötesi pikseller oluşturmak için üst katmanda kullanılan metamalzemelerin modelini değiştirebileceklerini söylediler. Bu, kızılötesi piksellerin oluşturulmasını TV'de RGB piksel kullanımına benzer hale getirecektir. Daha fazla piksele (128 X 128'e kadar) sahip bir cihaz oluşturmak ve piksel boyutunu artırmak için bu teknolojiyi genişletmeyi başardılar.
Bu teknoloji genişletildikten sonra, arkadaşlar için dinamik kızılötesi desenler oluşturmak veya savaşta düşmanları tanımlamak için kullanılabilir.
Padilla, yanıt olarak şunları söyledi:
"Prensip olarak, bizimkine benzer bir program, bu yeniden yapılandırılabilir meta malzeme aracılığıyla birçok dinamik efekt üretebilir. Örneğin, dinamik bir kızılötesi optik pelerin veya kızılötesi aralıkta bir negatif kırılma indisi ortamı gerçekleştirmek için kullanılacaktır. . "
Referans
[1]
[2] X. Liu, W.J. Padilla, "Yeniden yapılandırılabilir oda sıcaklığı metamalzeme kızılötesi yayıcı," Optica, Cilt 4, Sayı 4, 430-433 (2017).
DOI: 10.1364 / optica.4.000430
[3]
Daha fazla tartışmaya ihtiyaç duyanlar için lütfen doğrudan WeChat: JohnZh1984 ile iletişime geçin veya WeChat genel hesabını takip edin: IntelligentThings.
