Upija više od 90 posto sunčeve svjetlosti! Australija je razvila novu vrstu grafenskog filma!

Istraživači u Centru za translacijske atomaterijale (CTAM) na Tehnološkom univerzitetu Swinburne u Melburnu, Australija, razvili su novi grafenski film koji može apsorbirati više od 90 posto sunčeve svjetlosti dok se istovremeno eliminiše većina gubitaka infracrvene toplotne emisije, a ovo je prvi izvještaj o ovom podvigu.

Ovo je visoko efikasan metamaterijal za solarno grijanje sposoban da se brzo zagrije na 83 stepena Celzijusa (181 stepen Farenhajta) u otvorenom okruženju uz minimalne gubitke toplote. Predložene aplikacije za film uključuju prikupljanje i skladištenje toplotne energije, proizvodnju solarne termalne energije i desalinizaciju morske vode.

Osnivački direktor CTAM-a, prof. Baohua Jia, rekao je da je apsorbiranje sunčeve svjetlosti uz suzbijanje gubitka toplotnog zračenja (takođe poznato kao zračenje crnog tijela) kritično za efikasne solarne termalne apsorbere, ali je to izuzetno teško postići. "To je zato što se, ovisno o apsorbiranoj toplini i svojstvima apsorbera, temperatura emisije značajno razlikuje, što rezultira značajnom razlikom u njegovoj talasnoj dužini", objasnila je ona. Ali razvili smo trodimenzionalni strukturirani grafen metamaterijal (strukturirani grafen meta materijali, SGM), koji je visoko apsorptivan i može selektivno filtrirati zračenje crnog tijela."

Ovaj trodimenzionalno strukturirani grafenski metamaterijal sastoji se od 30-nanometara debelog naizmjeničnog grafenskog filma i dielektričnog sloja nanesenog na nanostrukturu nalik rovu koja služi kao bakreni supstrat za poboljšanu apsorpciju. Što je još važnije, supstrati su oblikovani u matričnom rasporedu kako bi se omogućilo fleksibilno podešavanje selektivne apsorpcije talasne dužine.

Grafenski filmovi su dizajnirani da apsorbuju svjetlost na talasnim dužinama između 0.28 i 2.5 mikrona. Struktura bakrene podloge omogućava joj da djeluje kao selektivni propusni filter, potiskujući normalnu emisiju interno generirane energije crnog tijela. Ova zadržana toplota može dodatno povećati temperaturu metamaterijala. Stoga se SGM može brzo zagrijati do 83 stepena Celzijusa. Ako su različite temperature potrebne za specifične primjene, nove nanostrukture kanala mogu se izraditi i podesiti da odgovaraju specifičnim valnim dužinama crnog tijela. "U našem prethodnom radu demonstrirali smo 90-nanometarski grafenski endotermni materijal," rekao je profesor Jia. Iako se može zagrijati do 160 stepeni Celzijusa, njegova struktura je složenija i sastoji se od četiri sloja: supstrata, srebrnog sloja, sloja silicijum oksida i sloja grafena. Naša nova dvoslojna struktura je jednostavnija i ne zahtijeva vakuum taloženje. Metoda izrade Skalabilnost i niska cijena."

Novi materijal također značajno smanjuje debljinu filma za trećinu i koristi manje grafena, a njegova tankoća pomaže u efikasnijem prijenosu apsorbirane topline na druge medije, poput vode. Osim toga, film je hidrofoban, što pomaže u samočišćenju, dok sloj grafena učinkovito štiti sloj bakra od korozije, pomažući produžiti vijek trajanja metamaterijala.

"Budući da su strukturni parametri metalne podloge glavni faktor koji kontroliše ukupnu apsorpcionu performansu SGM-a, a ne njegova inherentna svojstva, različiti metali se mogu koristiti u zavisnosti od potreba ili troškova aplikacije", rekao je Keng-Te Lin, koji je nedavno objavljeno u Nature Communications (Nature Communications), vodeći autor rada o metamaterijalima i istraživač na Univerzitetu Swinburne. Napomenuo je da se aluminijska folija može koristiti i za zamjenu bakra bez ugrožavanja performansi.

Keng-Te je rekao: "Koristili smo prototip membrane za proizvodnju čiste vode i postigli impresivnu efikasnost solarne pare od 96,2 posto. Ovo je vrlo konkurentno za proizvodnju energije čiste vode koristeći obnovljive izvore energije. moćno."

Dodao je da se metamaterijal također može koristiti u aplikacijama za prikupljanje i konverziju energije, proizvodnju parne energije, prečišćavanje otpadnih voda, desalinizaciju morske vode i proizvodnju solarne termalne energije.

Ali jedan izazov koji ostaje je pronalaženje načina da se podloga učini rastezljivom.

"Radimo sa Innofocus Photonics Technology, privatnom kompanijom koja je komercijalizirala mašinu za premazivanje za polaganje slojeva grafena i dielektrika", rekao je profesor Jia. "Zadovoljni smo time. Sada tražimo način da proizvedemo bakrene supstrate u velikom obimu." Jedan mogući pristup, dodaje ona, je proces od roll-to-roll.

U međuvremenu, istraživači nastavljaju da fino podešavaju dizajn nanostrukture kako bi poboljšali stabilnost i efikasnost apsorpcije SGM-a. "Što se tiče komercijalizacije", rekao je profesor Jia, "mislimo da je to moguće u roku od jedne do dvije godine."