Les scientifiques des matériaux de l'UCLA ont développé une classe de matériaux optiques qui contrôle la façon dont le rayonnement thermique est dirigé à partir d'un objet. Semblable à la façon dont les stores qui se chevauchent dirigent l'angle de la lumière visible traversant une fenêtre, la percée implique l'utilisation d'une classe spéciale de matériaux qui manipule la façon dont le rayonnement thermique se propage à travers ces matériaux.

Récemment publié dans Science , l'avance pourrait être utilisée pour améliorer l'efficacité des systèmes de conversion d'énergie et permettre des technologies de détection et de détection plus efficaces.

"Notre objectif était de montrer que nous pouvions efficacement diffuser un rayonnement thermique - la chaleur que tous les objets émanent sous forme d'ondes électromagnétiques - sur de larges longueurs d'onde dans la même direction, " a déclaré le responsable de l'étude Aaswath Raman, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à la UCLA Samueli School of Engineering. « Cette avancée offre de nouvelles capacités pour une gamme de technologies qui dépendent de la capacité de contrôler les flux de chaleur sous forme de rayonnement thermique. Cela inclut les applications d'imagerie et de détection qui reposent sur des sources thermiques ou les détectent, ainsi que des applications énergétiques telles que le chauffage solaire, récupération de chaleur perdue et refroidissement radiatif, où restreindre la directionnalité du flux de chaleur peut améliorer les performances. "

Chaque objet émet de la chaleur sous forme de lumière, phénomène connu sous le nom de rayonnement thermique. Des exemples familiers incluent le filament dans une ampoule, bobines incandescentes dans un grille-pain et même la lumière naturelle du soleil. Ce phénomène peut également être détecté sur notre peau et dans des objets communs, des vêtements que vous portez aux murs qui vous entourent.

Sur Terre, pour les objets à température ambiante aux objets modérément chauds, une grande partie du rayonnement thermique émis réside dans la partie infrarouge du spectre.

Précédemment, un défi fondamental avait empêché les matériaux de diriger leur chaleur dans des directions spécifiques sur un large spectre pour garantir qu'une quantité suffisante de chaleur est émise. Pour résoudre l'énigme, les chercheurs ont créé un nouveau cadre théorique en utilisant des matériaux nanophotoniques. Pour la première fois, l'équipe a démontré que cette nouvelle classe de matériaux efficaces permet à de larges bandes de rayonnement thermique de se disperser sur des angles prédéterminés.

"Pour démontrer ce concept, nous avons superposé plusieurs matériaux d'oxyde, que chacun manipule la lumière infrarouge sur différentes longueurs d'onde, et rayonnait une grande partie de la chaleur émise vers les mêmes angles fixes, " a déclaré le premier auteur de l'étude Jin Xu, un étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux de l'UCLA. "En outre, les oxydes que nous avons utilisés sont communs, ainsi les approvisionnements ne seraient pas un problème dans la production du matériel. "

La classe de matériaux qui dirige la chaleur est connue sous le nom de matériaux "epsilon-near-zero" ou ENZ. Les chercheurs appellent leur nouveau matériau un matériau ENZ à gradient. Ils ont démontré deux de ces échantillons de matériaux capables de diffuser un rayonnement thermique sur de larges bandes passantes jusqu'à des bandes d'angles étroites, de 60° à 75° et de 70° à 85° respectivement.

A l'aide d'une caméra thermique, les angles de rayonnement pouvaient être observés en regardant des plaquettes de silicium recouvertes de matériaux ENZ à gradient. Vu sous la plupart des angles, les disques chauffés semblaient froids, semblable à l'apparence des métaux polis tels que l'aluminium sous une caméra thermique. Cependant, lorsqu'il est vu aux angles spécifiques conçus, les signatures de chaleur plus élevée pourraient être repérées sur les disques.