KNOXVILLE, TN, 3 de diciembre de 2024 /24-7PressRelease/ -- Un estudio innovador publicado en Science ha logrado un avance significativo en fotónica térmica, lo que permite un enfriamiento radiativo eficiente subambiental durante el día para superficies verticales.

La transferencia de calor radiativo es uno de los mecanismos de transferencia de energía más críticos en la naturaleza. Sin embargo, la radiación de cuerpo negro tradicional, debido a sus características inherentes, como ser no direccional, incoherente, de amplio espectro y no polarizada, resulta en un intercambio de energía entre el cuerpo radiante y todos los objetos circundantes, limitando significativamente la eficiencia de transferencia de calor y el control del flujo térmico. Estas limitaciones obstaculizan sus aplicaciones prácticas.

Un reciente avance estudio(DOI: 10.1126/science.adn2524) publicado en Science, descubierto por un equipo de investigación liderado por el Prof. Wei Li del Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun (CIOMP) de la Academia China de Ciencias, en colaboración con el equipo del Prof. Shanhui Fan de la Universidad de Stanford y el equipo de la Prof. Andrea Alu de la Ciudad Universitaria de Nueva York, utilizó fotónica térmica para lograr un control sinérgico de radiación térmica en ángulo y espectro. Luego diseñaron un emisor direccional con ruptura de simetría a escala cruzada, emisión térmica angularmente asimétrica y espectralmente selectiva, logrando enfriamiento radiativo subambiental durante el día en superficies verticales.

"Los enfriadores radiativos anteriores típicamente exhibían propiedades de radiación térmica omnidireccional, haciéndolos adecuados solo para superficies horizontales. Sin embargo, cuando se aplican a superficies verticales, el campo de visión hacia el cielo frío se reduce drásticamente. Al mismo tiempo, deben absorber un considerable calor del suelo, objetos circundantes y la atmósfera. Esto conduce al fracaso del enfriamiento radiativo subambiental en superficies verticales," dijo el Profesor Wei Li.

Para abordar este desafío, utilizaron fotónica térmica para lograr un control sinérgico de la radiación térmica en ángulo y espectro. Diseñaron un emisor térmico angulamente asimétrico y espectralmente selectivo (emisor AS) utilizando una estructura de ruptura de simetría a escala cruzada. El emisor AS consta de un dispositivo de difracción en forma de diente de sierra cubierto por una película de polietileno nanoporoso (nanoPE) reflectante en el ultravioleta-visible y transparente en infrarrojo. La combinación de las capas de Ag y la película de nanoPE resulta en una fuerte reflexión en todo el rango de longitudes de onda solares. Las capas de SiN proporcionan emisiones espectralmente selectivas debido a su resonancia de polarización de fonones y la capa más externa de Ag está diseñada para reflejar la radiación térmica del suelo.

"Nuestro emisor AS mantuvo una temperatura estable sustancialmente por debajo de la temperatura ambiente durante todo el día. Incluso bajo la máxima luz solar, el emisor AS mantuvo una temperatura de 2.5℃ por debajo de la temperatura ambiente, correspondiente a una reducción de temperatura de 4.3 y 8.9℃ en comparación con un enfriador radiativo de alto rendimiento convencional y pintura blanca comercial, respectivamente. Gracias a la capacidad flexible de nuestra estrategia de diseño para ajustar la cobertura angular de la emisión térmica, podemos rediseñar el emisor AS basado en escenarios prácticos. Incluso si dirigimos el emisor AS hacia una pared de edificio caliente, aún puede lograr enfriamiento radiativo subambiental," dijo Fei Xie, primer autor del artículo y profesor asistente en el grupo de Li.

Mirando hacia el futuro, el Prof. Wei Li imagina que su estrategia de diseño podría aplicarse también a una amplia gama de escenarios comunes del mundo real que involucran superficies inclinadas o verticales, como paredes, ropa, los lados de vehículos; y la capacidad de emisión térmica AS tiene impactos potenciales en la reducción del calentamiento y el consumo global de energía.

En conclusión, este trabajo innovador supera la limitación de los enfriadores radiativos convencionales, que solo pueden funcionar en superficies horizontales, logrando un salto dimensional en la tecnología de enfriamiento radiativo de superficies horizontales a escenarios tridimensionales prácticos. También abre nuevas posibilidades en el campo de la energía y la sostenibilidad, ofreciendo nuevas soluciones de gestión térmica para tecnologías energéticamente eficientes en una variedad de aplicaciones.

Referencias
DOI
10.1126/science.adn2524

URL de fuente original
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524

Información de financiamiento
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvenciones 62134009 y 62121005 para W.L.), el Departamento de Energía de EE. UU. (subvención DE-FG02-07ER46426 para S.F.) y una Beca de Facultad Vannevar Bush (para A.A.).

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