Les physiciens ont découvert des propriétés radicalement nouvelles dans un nanomatériau qui ouvre de nouvelles possibilités pour des cellules thermophotovoltaïques très efficaces, qui pourrait un jour récupérer la chaleur dans le noir et la transformer en électricité.

L'équipe de recherche de l'Australian National University (ARC Center of Excellence CUDOS) et de l'Université de Californie à Berkeley a fait la démonstration d'un nouveau matériau artificiel, ou métamatériau, qui brille d'une manière inhabituelle lorsqu'il est chauffé.

Les découvertes pourraient conduire à une révolution dans le développement de cellules qui convertissent la chaleur rayonnée en électricité, appelées cellules thermophotovoltaïques.

"Les cellules thermophotovoltaïques ont le potentiel d'être beaucoup plus efficaces que les cellules solaires, " a déclaré le Dr Sergey Kruk de l'École de recherche en physique et en génie de l'ANU.

"Notre métamatériau surmonte plusieurs obstacles et pourrait aider à libérer le potentiel des cellules thermophotovoltaïques."

Les cellules thermophotovoltaïques devraient être plus de deux fois plus efficaces que les cellules solaires conventionnelles. Ils n'ont pas besoin de la lumière directe du soleil pour produire de l'électricité, et à la place, ils peuvent récupérer la chaleur de leur environnement sous forme de rayonnement infrarouge.

Ils peuvent également être associés à un brûleur pour produire de l'énergie à la demande ou recycler la chaleur rayonnée par les moteurs chauds.

La recherche est publiée dans Communication Nature .

Le métamatériau de l'équipe, constitué de minuscules structures nanoscopiques d'or et de fluorure de magnésium, rayonne de la chaleur dans des directions spécifiques. La géométrie du métamatériau peut également être modifiée pour émettre un rayonnement dans une plage spectrale spécifique, contrairement aux matériaux standard qui émettent leur chaleur dans toutes les directions sous la forme d'une large gamme de longueurs d'onde infrarouges. Cela le rend idéal pour une utilisation en tant qu'émetteur associé à une cellule thermophotovoltaïque.

Le projet a commencé lorsque le Dr Kruk a prédit que le nouveau métamatériau aurait ces propriétés surprenantes. L'équipe de l'ANU a ensuite travaillé avec des scientifiques de l'Université de Californie à Berkeley, qui ont une expertise unique dans la fabrication de tels matériaux.

"Pour fabriquer ce matériau, l'équipe de Berkeley fonctionnait à la pointe des possibilités technologiques, " dit le Dr Kruk.

"La taille des blocs de construction individuels du métamatériau est si petite que nous pourrions en placer plus de douze mille sur la section transversale d'un cheveu humain."

La clé du comportement remarquable du métamatériau est sa nouvelle propriété physique, dispersion magnétique hyperbolique. La dispersion décrit les interactions de la lumière avec les matériaux et peut être visualisée comme une surface tridimensionnelle représentant la façon dont le rayonnement électromagnétique se propage dans différentes directions. Pour les matières naturelles, tels que le verre ou les cristaux, les surfaces de dispersion ont des formes simples, sphérique ou ellipsoïdale.

La dispersion du nouveau métamatériau est radicalement différente et prend une forme hyperbolique. Cela résulte des interactions remarquablement fortes du matériau avec la composante magnétique de la lumière.

L'efficacité des cellules thermovoltaïques à base de métamatériau peut être encore améliorée si l'émetteur et le récepteur n'ont qu'un espace nanoscopique entre eux. Dans cette configuration, le transfert de chaleur radiative entre eux peut être plus de dix fois plus efficace qu'entre les matériaux conventionnels.