Metassuperfcie controla radiao trmica de maneiras sem precedentes

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 13/09/2024

Lanterna de calor

Pesquisadores demonstraram experimentalmente que as metassuperfcies, materiais artificiais estruturados em nanoescala, podem controlar precisamente a radiao trmica gerada dentro da prpria metassuperfcie.

Em outras palavras, o material “arremessa” o calor na direo desejada, como o feixe de uma lanterna, em vez de irradi-lo por todos os lados.

um trabalho pioneiro que abre caminho para a criao de fontes de luz personalizadas com capacidades sem precedentes, com impactos em uma ampla gama de aplicaes cientficas e tecnolgicas.

A radiao trmica uma forma de onda eletromagntica gerada por flutuaes aleatrias na matria. Ela por natureza de banda larga, o que significa que ela consiste de vrias cores, ou comprimentos de onda – uma boa analogia seria com a luz emitida por uma lmpada incandescente. A radiao trmica tambm no polarizada e se espalha em todas as direes devido sua aleatoriedade.

Essas caractersticas geralmente limitam sua utilidade em aplicaes que exigem propriedades de luz bem definidas – compare isto com a luz laser, conhecida por sua frequncia, polarizao e direo de propagao definidas, o que a torna inestimvel para muitas aplicaes importantes da sociedade moderna.

Metassuperfcie para manipular o calor

O que se descobriu agora que possvel usar uma metassuperfcie, um conjunto muito fino de antenas em nanoescala, para controlar as ondas da radiao trmica, efetivamente “moldando” esse calor de maneiras personalizveis – at agora, as metassuperfcies haviam sido demonstradas apenas para controlar fontes de luz laser.

“Nosso objetivo final habilitar uma tecnologia de metassuperfcie que no requeira fontes de laser externas, mas possa fornecer controle preciso sobre a maneira como sua prpria radiao trmica emitida e se propaga,” disse Adam Overvig, da Faculdade Cidade de Nova York (CUNY). “Nosso trabalho um passo importante nessa busca, fornecendo a base para uma nova classe de metassuperfcies que so alimentadas por oscilaes internas incoerentes de matria impulsionadas pelo calor.”

Detalhes da metassuperfcie termal.
[Imagem: J. Ryan Nolen et al. – 10.1038/s41565-024-01763-6]

Calor parecido com laser

A equipe havia publicado anteriormente um trabalho mostrando que uma metassuperfcie adequadamente projetada poderia moldar a radiao trmica que gera, transmitindo caractersticas desejveis, como frequncias definidas, polarizao personalizada e at mesmo um formato de frente de onda capaz de criar um holograma – essencialmente um laser de calor.

Agora, eles no apenas validaram experimentalmente sua proposta, como adicionaram-lhe novas funcionalidades. Curiosamente, a metassuperfcie teve sua arquitetura simplificada, tendo uma nica camada estruturada com um padro 2D, o que facilita sua fabricao e implementao prtica.

“Fontes de luz personalizadas so integrais a vrios campos cientficos e tecnolgicos,” disse o professor Andrea Al. “A capacidade de criar fontes compactas e leves com caractersticas espectrais, de polarizao e espaciais desejadas particularmente atraente para aplicaes que exigem portabilidade, como tecnologias baseadas no espao, pesquisas de campo em geologia e biologia […]. Este trabalho representa um passo significativo para concretizar essas capacidades.”

A equipe observa que os princpios aplicados nesta metassuperfcie podem ser estendidos aos diodos emissores de luz (LEDs), com o potencial de aprimorar outra fonte de luz muito comum e barata, mas notoriamente difcil de controlar.

Pensando adiante, os pesquisadores pretendem combinar esses blocos de construo para atingir padres de emisso trmica mais complexos, como focar a emisso trmica em um ponto especfico acima do dispositivo ou criar um holograma trmico.

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