Lanterna termal controla o calor de maneiras sem precedentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/09/2024

A metassuperfície térmica consiste em uma única camada de silício nanoestruturado (cinza escuro) sobre vidro (azul) e um espelho de metal (cinza). A superfície nanoestruturada é especificamente adaptada para que emita termicamente luz polarizada circularmente para uma direção desejada.
[Imagem: Adam Overvig]

Lanterna de calor

Pesquisadores demonstraram experimentalmente que as metassuperfícies, materiais artificiais estruturados em nanoescala, podem controlar precisamente a radiação térmica gerada dentro da própria metassuperfície.

Em outras palavras, o material "arremessa" o calor na direção desejada, como o feixe de uma lanterna, em vez de irradiá-lo por todos os lados.

É um trabalho pioneiro que abre caminho para a criação de fontes de luz personalizadas com capacidades sem precedentes, com impactos em uma ampla gama de aplicações científicas e tecnológicas.

A radiação térmica é uma forma de onda eletromagnética gerada por flutuações aleatórias na matéria. Ela é por natureza de banda larga, o que significa que ela consiste de várias cores, ou comprimentos de onda - uma boa analogia seria com a luz emitida por uma lâmpada incandescente. A radiação térmica também não é polarizada e se espalha em todas as direções devido à sua aleatoriedade.

Essas características geralmente limitam sua utilidade em aplicações que exigem propriedades de luz bem definidas - compare isto com a luz laser, conhecida por sua frequência, polarização e direção de propagação definidas, o que a torna inestimável para muitas aplicações importantes da sociedade moderna.

Metassuperfície para manipular o calor

O que se descobriu agora é que é possível usar uma metassuperfície, um conjunto muito fino de antenas em nanoescala, para controlar as ondas da radiação térmica, efetivamente "moldando" esse calor de maneiras personalizáveis - até agora, as metassuperfícies haviam sido demonstradas apenas para controlar fontes de luz laser.

"Nosso objetivo final é habilitar uma tecnologia de metassuperfície que não requeira fontes de laser externas, mas possa fornecer controle preciso sobre a maneira como sua própria radiação térmica é emitida e se propaga," disse Adam Overvig, da Faculdade Cidade de Nova York (CUNY). "Nosso trabalho é um passo importante nessa busca, fornecendo a base para uma nova classe de metassuperfícies que são alimentadas por oscilações internas incoerentes de matéria impulsionadas pelo calor."

Detalhes da metassuperfície 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 metassuperfície adequadamente projetada poderia moldar a radiação térmica que gera, transmitindo características desejáveis, como frequências definidas, polarização personalizada e até mesmo um formato de frente de onda capaz de criar um holograma - essencialmente um laser de calor.

Agora, eles não apenas validaram experimentalmente sua proposta, como adicionaram-lhe novas funcionalidades. Curiosamente, a metassuperfície teve sua arquitetura simplificada, tendo uma única camada estruturada com um padrão 2D, o que facilita sua fabricação e implementação prática.

"Fontes de luz personalizadas são integrais a vários campos científicos e tecnológicos," disse o professor Andrea Alù. "A capacidade de criar fontes compactas e leves com características espectrais, de polarização e espaciais desejadas é particularmente atraente para aplicações que exigem portabilidade, como tecnologias baseadas no espaço, pesquisas de campo em geologia e biologia [...]. Este trabalho representa um passo significativo para concretizar essas capacidades."

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

Pensando adiante, os pesquisadores pretendem combinar esses blocos de construção para atingir padrões de emissão térmica mais complexos, como focar a emissão térmica em um ponto específico acima do dispositivo ou criar um holograma térmico.

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