Tạo ra siêu vật liệu phát ra bức xạ "đen"

Một nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà vật lý Willie Padilla, làm việc tại trường Cao đẳng Boston, Hoa Kỳ, đã phát hiện ra siêu vật liệu có thể phát ra bức xạ "đen" với hiệu suất vượt ra ngoài giới hạn tự nhiên được áp đặt bởi nhiệt độ của vật liệu.

Kết quả của nghiên cứu đã được đăng tải trên Tạp chí Physical Review Letters.

Siêu vật liệu có thể phát ra bức xạ "đen" đại diện cho một lý thuyết lý tưởng rằng: một loại siêu vật liệu hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ chiếu đến nó và đồng thời siêu vật liệu này cũng phát ra năng lượng từ nguồn nhiệt độ của chính nó. Nghĩa là, năng lượng hấp thụ bằng với năng lượng phát ra trong trạng thái cân bằng.

Nhà Vật lý Willie Padilla

Bước đột phá trong nghiên cứu của Padilla và đồng nghiệp đến từ Đại học Duke, Hoa Kỳ và công ty SensorMetrix, Inc, có thể dẫn đến sự ra đời của các công nghệ tiên tiến được sử dụng tạo ra điện, từ nhiệt thải ra trong các quá trình sản xuất công nghiệp. Hơn nữa, các siêu vật liệu nhân tạo còn cung cấp khả năng kiểm soát phát xạ, giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Padilla cho biết: "Đây là lần đầu tiên, siêu vật liệu có thể phát ra bức xạ "đen" được phát hiện và hứa hẹn nhiều ứng dụng khai thác năng lượng tiềm năng. Trong khi, năng lượng phát ra trên một bề mặt tự nhiên chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của bề mặt tự nhiên này. Chính vì vậy, bạn không có nhiều sự lựa chọn. Trong khi đó, các siêu vật liệu cho phép bạn điều chỉnh bức xạ theo ý muốn , vì vậy bạn hoàn toàn kiểm soát được lượng năng lượng phát ra."

Trong thời gian dài, các nhà nghiên cứu đã tìm cách tìm ra các siêu vật liệu có thể phát ra bức xạ "đen" sử dụng trong hệ thống khai thác năng lượng mặt trời hoặc nhiệt điện. Trước đây, việc tìm ra siêu vật liệu phát thải nhiệt như vậy không khả thi, bởi một số oxit đất hiếm vốn có nguồn cung cấp hạn chế và đắt tiền, bên cạnh đó lại không thể kiểm soát được lượng năng lượng phát ra. Tinh thể quang tử được chứng minh là phát thải kém không mang lại hiệu quả đáng kể.

Được xây dựng từ các vật liệu tổng hợp nhân tạo, siêu vật liệu được thiết kế cung cấp các tính năng mới vượt quá giới hạn hiệu suất vật lý của các thành phần thông thường cấu tạo nên chúng và cho phép siêu vật liệu này phát ra bức xạ "đen" tương ứng. Siêu vật liệu còn có tác dụng như một chỉ số khúc xạ âm. Dựa vào điều này, nhà nghiên cứu đã kết hợp các siêu vật liệu với thiết bị quang học nhân tạo tạo ra "Áo tàng hình" (về cơ bản đây là quá trình điều khiển ánh sáng xung quanh một không gian và che giấu sự tồn tại của nó.)

Ba năm trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một siêu vật liệu "hoàn hảo" có khả năng hấp thụ tất cả ánh sáng chiếu vào nó nhờ vào tính năng bề mặt hình học có kích thước nano của nó. Đây là một trong những nghiên cứu nhằm tìm cách khai thác định luật Kirchoffs (về bức xạ nhiệt), vốn cho rằng khả năng tồn tại của một loại vật liệu phát ra bức xạ tương đương với khả năng hấp thụ bức xạ.

Làm việc trong ngưỡng hồng ngoại trung bình, nguồn phát nhiệt cung cấp sự phát xạ trong thử nghiệm đạt 98%. Nguồn phát nhiệt ở băng tần kép cung cấp đỉnh cao phát xạ đạt 85% và 89%. Các kết quả khẳng định hiệu suất đạt được phù hợp với định luật Kirchoff, theo các nhà nghiên cứu.

"Chúng tôi cũng nhận thấy, bằng cách thực hiện cả hai phát xạ và các phép đo sự hấp thụ phát xạ cho thấy quá trình phát xạ và hấp thụ diễn ra rất hợp lý", theo Padilla. "Mặc dù kết quả thực nghiệm dựa trên dự đoán của định luật Kirchoff, nhưng đây là lần đầu tiên  định luật Kirchoff được chứng minh nhờ các siêu vật liệu."

Các nhà nghiên cứu cho biết, thay đổi các thành phần của siêu vật liệu có thể cho ra siêu vật liệu trong đơn, băng tần kép và siêu vật liệu băng thông rộng cho phép kiểm soát tốt hơn các photon phát ra để cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực khai thác năng lượng như sử dụng siêu vật liệu này như các nguồn bức xạ nhiệt có chọn lọc cho các tế bào thermophotovoltaic (TPV), theo Padilla. "Kể từ khi phát hiện ra siêu vật liệu có khả năng phát ra bức xạ nhiệt để giải phóng các photon, kết hợp với các lỗ trống tự do của chất bán dẫn, một phần của tế bào TPV, làm cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng được tăng cường rất nhiều.

Tác giả chính nhà Vật lý Willie Padilla Padilla; đồng tác giả khác của nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu sinh Xianliang Liu, trường Cao đẳng Boston, Hoa Kỳ; Nan Marie Jokerst và Talmage Tyler, Đại học Duke, Hoa Kỳ và các nhà nghiên cứu Tatiana Starr và Anthony F. Starr, đến từ công ty SensorMetrix, Inc.