Un nouvel appareil reconfigurable qui émet des motifs de lumière infrarouge thermique de manière entièrement contrôlable pourrait un jour permettre de collecter la chaleur perdue aux longueurs d'onde infrarouges et de la transformer en énergie utilisable.

La nouvelle technologie pourrait être utilisée pour améliorer le thermophotovoltaïque, un type de cellule solaire qui utilise la lumière infrarouge, ou la chaleur, plutôt que la lumière visible absorbée par les cellules solaires traditionnelles. Les scientifiques ont travaillé pour créer des systèmes thermophotovoltaïques suffisamment pratiques pour récupérer l'énergie thermique trouvée dans les zones chaudes, comme autour des fours et des fours utilisés par l'industrie du verre. Ils pourraient également être utilisés pour transformer la chaleur provenant des moteurs de véhicules en énergie pour charger une batterie de voiture, par exemple.

"Parce que l'émission d'énergie infrarouge, ou l'intensité, est contrôlable, ce nouvel émetteur infrarouge pourrait fournir un moyen sur mesure de collecter et d'utiliser l'énergie de la chaleur, " a déclaré Willie J. Padilla de l'Université Duke, Caroline du Nord. « Il existe un grand intérêt pour l'utilisation de la chaleur résiduelle, et notre technologie pourrait améliorer ce processus."

Le nouveau dispositif est basé sur des métamatériaux, matériaux synthétiques qui présentent des propriétés exotiques non disponibles à partir de matériaux naturels. Padilla et le doctorant Xinyu Liu ont utilisé un métamatériau conçu pour absorber et émettre des longueurs d'onde infrarouges avec une très grande efficacité. En le combinant avec le mouvement à commande électronique disponible à partir de systèmes microélectromécaniques (MEMS), les chercheurs ont créé le premier dispositif de métamatériau avec des propriétés d'émission infrarouge qui peuvent être rapidement modifiées pixel par pixel.

Comme indiqué dans le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, Optique , le nouveau dispositif d'émission infrarouge se compose d'un réseau 8 × 8 de pixels contrôlables individuellement, mesurant chacun 120 X 120 microns. Ils ont démontré le dispositif de métamatériau MEMS en créant un "D" visible avec une caméra infrarouge.

Les chercheurs rapportent que leur émetteur infrarouge peut atteindre une gamme d'intensités infrarouges et peut afficher des motifs à des vitesses allant jusqu'à 110 kHz, ou plus de 100, 000 fois par seconde. L'extension de la technologie pourrait permettre de l'utiliser pour créer des modèles infrarouges dynamiques pour l'identification des amis ou des ennemis pendant le combat.

Pas de chaleur impliquée

Contrairement aux méthodes généralement utilisées pour obtenir une émission infrarouge variable, la nouvelle technologie émet des énergies infrarouges réglables sans aucun changement de température. Puisque le matériau n'est ni chauffé ni refroidi, l'appareil peut être utilisé à température ambiante tandis que d'autres méthodes nécessitent des températures de fonctionnement élevées. Bien que les expériences avec des matériaux naturels aient été couronnées de succès à température ambiante, ils sont limités à des gammes spectrales infrarouges étroites.

"En plus de permettre un fonctionnement à température ambiante, l'utilisation de métamatériaux facilite la mise à l'échelle dans toute la gamme de longueurs d'onde infrarouges et dans les fréquences visibles ou inférieures, " a déclaré Padilla. "C'est parce que les propriétés de l'appareil sont obtenues par la géométrie, pas par la nature chimique des matériaux constitutifs que nous utilisons."

Le nouvel émetteur infrarouge reconfigurable se compose d'une couche supérieure mobile de métamatériau métallique à motifs et d'une couche métallique inférieure qui reste fixe. L'appareil absorbe les photons infrarouges et les émet avec une grande efficacité lorsque les deux couches se touchent, mais émet moins d'énergie infrarouge lorsque les deux couches sont séparées. Une tension appliquée contrôle le mouvement de la couche supérieure, et la quantité d'énergie infrarouge émise dépend de la tension exacte appliquée.

Émission infrarouge dynamique

A l'aide d'une caméra infrarouge, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient modifier dynamiquement le nombre de photons infrarouges sortant de la surface du métamatériau MEMS sur une plage d'intensités équivalente à un changement de température de près de 20 degrés Celsius.

Les chercheurs disent qu'ils pourraient modifier les modèles de métamatériaux utilisés dans la couche supérieure pour créer différents pixels infrarouges colorés qui seraient chacun réglables en intensité. Cela pourrait permettre la création de pixels infrarouges similaires aux pixels RVB utilisés dans un téléviseur. Ils travaillent maintenant à étendre la technologie en fabriquant un appareil avec plus de pixels (jusqu'à 128 X 128) et en augmentant la taille des pixels.

"En principe, une approche similaire à la nôtre pourrait être utilisée pour créer de nombreux types d'effets dynamiques à partir de métamatériaux reconfigurables, " a déclaré Padilla. " Cela pourrait être utilisé pour obtenir une cape optique infrarouge dynamique ou un indice de réfraction négatif dans l'infrarouge, par exemple."