Un material que parece frío al calentarse


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Un revestimiento especial que puede ocultar su propia temperatura de cámaras térmicas ha sido desarrollado por investigadores de los EE.UU.. La tecnología se basa en las propiedades de reflexión dependientes de la temperatura del óxido de vanadio, un material que se somete a cambios electrónicos extremos a una temperatura específica. Cuando se calienta desde  temperatura ambiente hasta 80 ° C, la radiación térmica del material que normalmente se eleva hasta 74 ° C, aparece de repente antes de caer a alrededor de 20 ° C más frío que lo que es en realidad. El resultado más sorprendente podría tener potenciales aplicaciones militares, incluyendo el camuflaje, sistemas de comunicación y para ayudar en la investigación futura de los metamateriales.

Cuando se calienta hasta temperatura ambiente, el óxido de vanadio sufre una transición de un aislante a un estado conductivo metálico. Al mismo tiempo, el material también cambia de ser casi transparente a la luz infrarroja para ser reflectante. Esta transición, sin embargo, no se produce instantáneamente – y entre estos dos puntos finales, el óxido de vanadio se comporta como un dieléctrico altamente absorbente.

Teniendo en cuenta esto, cuando se coloca una película delgada de óxido de vanadio sobre un sustrato altamente reflectante (para longitudes de onda infrarrojas específicas), como el zafiro, la película crea una estructura combinada muy absorbente o reflectante, dependiendo de la temperatura. A medida que estas propiedades controlan la salida térmica del objeto, por lo tanto, la estructura también tiene una emisividad que varía considerablemente con la temperatura. En consecuencia, cuando se realiza la  transición de óxido de vanadio con aumento de la temperatura, la estructura sufre una disminución repentina de la emisividad; pareciendo más frío ante las cámaras infrarrojas de lo que realmente es.

“Casi cualquier objeto conocido emite luz cuando se calienta. Este” radiación térmica “es responsable de la luz de una estufa caliente o de la luz emitida por una bombilla incandescente”, explica Kats Mikhail , quien es miembro del grupo de Federico Capasso en Universidad de Harvard en los EE.UU.. “Hemos demostrado que existe una estructura que emite menos luz cuando se calienta por encima de un cierto rango de temperatura, un efecto muy contrario a la intuición”, dice.

Andrea Alù, ingeniero de la Universidad de Texas en Austin, que no participó en la investigación, dice que la tecnología “ofrece interesantes posibilidades para manipular localmente la emisividad de un objeto, de un modo al que no estamos acostumbrados“. También encuentra “bastante interesante que alcanzaron este efecto sin la necesidad de modelar la capa o mediante la creación de nanoestructuras ad-hoc, sino por el simple uso de una capa delgada y uniforme de un material especial de transición de fase”.

Con su investigación actual que actúa como una prueba de concepto, Capasso, Kats y sus colegas creen que con pequeñas modificaciones, aplicaciones potenciales para su nueva tecnología serán posibles. Mediante la variación de materiales de sustrato en óxido de indio y estaño, como una posibilidad, o la modificación de una capa de óxido de vanadio recubriéndola y procesos similares, los investigadores esperan ser capaces de alterar las longitudes de onda y rangos de temperatura en la que se observan los efectos térmicos .

El equipo también, de modo fortuito, descubrió que las estructuras a nanoescala que aparecen de forma natural en la región de transición de óxido de vanadio se pueden usar para lograr un cierto nivel de capacidad de ajuste, que a su vez suprime la radiación térmica al aumentar la temperatura. El equipo se refiere a tal material estructurado de forma espontánea como un “metamaterial desordenado de modo natural”. Capasso señala que crear artificialmente tales nanoestructuras dentro de un material puede ser extremadamente difícil. “Aquí, la naturaleza nos da lo que queremos de forma gratuita. Tomando estos metamateriales naturales y manipulando todas las propiedades que queremos, estamos abriendo un nuevo campo de investigación, una nueva dirección en el trabajo. Podemos diseñar nuevos dispositivos desde abajo hacia arriba “, dice.

Recubrirlo con tungsteno, por ejemplo, provocaría un descenso del efecto de rango térmico a temperatura ambiente. Ese recubrimiento alterado podría ser utilizado para camuflar pasivamente un vehículo contra de las cámaras de formación de imágenes térmicas. Por otra parte, diferentes recubrimientos podrían utilizarse para crear contadores térmicos específicos, para la comunicación, mediciones remotas más sensibles con termómetros infrarrojos, o incluso superficies en las que se podría dejar mensajes “secretos”, como una pizarra de infrarrojos, mediante el uso de calor o frío para alterar localmente la emisividad.

Por otra parte, como las emisiones térmicas alejan el calor de los objetos, propiedades radiativas del recubrimiento podrían ser utilizadas para acelerar deliberadamente o reducir la velocidad de refrigeración – lo que podría ser utilizado en una variedad de estructuras en hogares o satélites espaciales. Kats y sus colegas esperan poder desarrollar prototipos para demostrar algunas de estas aplicaciones potenciales en el futuro próximo.

El trabajo se publica en la revista Physical Review X

Autor: Ian Randall

Enlace original: Natural metamaterial looks cooler when heated

 

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