新型红外线发射器：由超颖材料制成，可利用废热！

导读

美国杜克大学科研人员首次设计出由「超颖材料」制成的MEMS「红外线发射装置」，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，而且还可以用于废热利用。另外，这种可重构的超颖材料，还将有望应用于动态红外线「光学隐身斗篷」，或者红外线范围内的「负折射率介质」。

技术关键字

超材料、负折射率、光学隐身斗篷、废热

背景知识

为了更好的阅读文章和理解这项前沿创新技术，John 先带大家认识一下核心的背景知识。

• 超材料

「超颖材料」（Metamaterial），又称为超材料，简单地说，它是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料，典型的超材料有：左手材料、光子晶体、超磁性材料

、金属水等等。超常物理特性包括：负磁导率、负介电常数、负折射率等等。

超材料

(图片来源于：维基百科)

这些材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、超材料雷达天线、声学隐身技术、吸波材料、全息技术等等。

之前，John在《新型超颖材料：有效助推太赫兹技术发展》、《新型超颖材料应用前景广阔：可吸收光线能量产生振荡》、《科学家研发超颖材料设备 全息技术从科幻走向现实》这几篇文章中，都有提及超颖材料的一些具体应用。

• 负折射率

几乎所有的天然材料，在碰到光学介质例如玻璃或者水的时候，都会具有正的介电常数和磁导率，所以它们都是正折射率材料。而超颖材料和自然材料不同，它们会具有负折射率。「负折射率材料」（Negative index materials)的介电常数和磁导率（Permeability)都是负的，从而导致负的折射率。

这种材料有时又被称为“左手介质”，光学材料中，如果介电常数和渗透率都是正的，光波在这种介质中向前传播；如二者都是负的，则光波向后传播。

负折射率图解

(图片来源于：维基百科)

一般来说，当光线穿过不同介质的界面时，光的传播路线会改变，不再沿直线传播，也就是发生了折射。一根筷子插到水中，筷子好像在水面处被折断了，水中的部分看起来有点线上弯折，也许大家对于这个现象并不陌生。

然而，下面一幅图中光线发生折射后的传播情况，却和正折射率介质中的不同，大家可以仔细观察一下：

光线发生负折射率现象的图解，可以看出折射后的光线传播的方向，和我们在一般天然物质中观察到的不一样。

(图片来源于：维基百科)

• 光学隐身斗篷

隐身斗篷，披上后可以隐身。在《哈利波特》系列小说中，这是一件十分神奇的道具，成为了哈利波特的一种魔法。

现实世界中，2014年，卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员就使用新型漫射光散射介质制造出了隐身斗篷，可实现光学隐身，此前他们已经研究过红外隐身技术。

漫射光散射介质中的光路图，左边的测试对象蒙了一层阴影，而使用新介质的右边物体没有阴影。

（图片来源于：卡尔斯鲁厄理工学院）

2015年，美国伯克利实验室的研究人员也利用过「超颖材料」，研发出了一款隐身斗篷，这款隐形斗篷可以散射可见光、红外线和X射线，它与隐藏目标物体交互作用，使其无法被观看到。

这款“超薄皮肤隐形斗篷”，可以隐藏任何外型的3D物体。当前该隐形斗篷仅是显微等级，未来可进一步隐形较大体积的物体。

（图片来源于：伯克利实验室）

当然，关于隐形斗篷还有更多的相关研究，这里就不详细介绍了，留日后和大家探讨。

• 废热

所谓「废热」，顾名思义，就是浪费掉的热量，即工业生产或交通运输中排出的温度较高的废气、废液含有大量热能，以往多不加利用，故习惯上称废热，也称余热。对于这部分能量的回收再利用，不仅减少环境热污染，而且提高能源利用率。

创新探索

介绍了这么多的相关背景知识后，我们要切入今天的正题了，介绍一下杜克大学的这项创新发明，简单点说：

它是一种可重构的装置，能以一种完全可控的方式，发射出不同的热红外光图案，未来将可用于采集红外线波长的废热，并将它转换成有用的能量。

（图片来源于：参考资料【2】）

Padilla 和博士生 Xinyu Liu 设计了制造设备所使用的超颖材料，它能够十分高效地吸收和放射红外线。

关键技术

研究人员将超颖材料和微机电系统（MEMS）的电子控制的运动相结合，设计出了首个具有红外线发射特性的超颖材料设备，这种特性能够在逐个像素点的基础上迅速变化。

正如在光学会杂志《Optica》中所报道的，这种新型红外线发射装置，由一个 8 × 8 的单独可控的像素点阵列组成，每个像素点是120 X 120微米。

单个像素点的图像

（图片来源于：参考资料【2】）

具体的工作方式和原理，简单描述如下：

新型可重构的红外线发射器，由顶部图案化的金属超颖材料，和底部的保持固定的金属层组成。当这两层接触的时候， 该装置吸收红外光子，并且通过高频激发它们；当两层分离的时候，该装置发射出的红外能量将变少。施加电压可以控制顶层的运动，所以发射出的红外线能量取决于施加的电压的大小。

这种MEMS超颖材料装置的演示情况如下图所示，在红外线摄像头下可以看见大写字母“D”。

（图片来源于：参考资料【2】）

研究人员报告称，他们的红外线发射器，能够达到一些列的红外线强度，以高达110 KHz（每秒10万次） 的速度显示图案。

创新价值

• 改善热光伏电池性能

这项新技术可用于改善「热光伏电池」。热光伏电池是一种将热辐射能量转化为电能的技术，它能够利用红外线（或者说热量），而不是像传统的太阳能电池一样吸收可见光。

科学家们一直致力于设计热光伏电池，从而吸收较热区域中的热量，例如玻璃工业中使用到的炉和窑周围的热量。例如，他们也可以用于将汽车引擎的热量转化为电能，给汽车电池充电。

杜克大学的Willie J. Padilla 说：

“因为红外线的能量辐射，或者说强度，是可控的。这种新型红外线发射器能够提供一种定制的方式，采集和利用热能。对于利用这些废热，大家有很大的兴趣，而我们的技术能够改善这一过程。”

• 室温条件下可用

相比其它的可变红外线发射器的实现方案，这种新技术能够温度没有任何改变的情况下，发射出可调谐的红外线能量。因为材料既没有加热，也没有冷却，所以这个装置可以在室温条件下使用，而其它方案需要在高温条件下操作。

尽管使用天然材料的实验也可以在室温下成功，但是他们限制于狭窄的红外光谱范围内。

• 波长可扩展

另外，这种超颖材料的应用范围还可以扩展。对此，Padilla 说：

“除了能够在室温条件下操作，使用超颖材料还能够使得从红外线波长扩展到可见光或者更低的频率。这是因为装置的特性是通过几何学实现的，而不是通过我们正在使用的组分材料的化学特性。”

• 动态红外线发射

研究人员通过使用一个红外线摄像头，展示了他们可以在一些列的强度（相对于近20摄氏度的温度改变）范围下，动态改变MEMS超颖材料表面发出的红外线光子的数量。

应用价值

研究人员称，他们可以改变顶层使用的超颖材料图案，创建出不同颜色的红外线像素点，每个像素点在强度方面都可以进行调谐。这将使得红外线像素点的创建和电视使用RGB像素点类似。他们能够将这项技术进行扩展，创建出一个具有更多像素点（多达128 X 128）的设备，并且增加像素点的尺寸。

所以这项技术经过扩展后，可以用于为朋友创建动态红外线图案，或者在战斗中识别敌人。

对此，Padilla 说:

“原则上，和我们相似的方案，可以通过这种可重构的超颖材料，产生许多种动态效果。例如，它将用于实现动态的红外线光学斗篷，或者红外线范围内的负折射率介质。”

参考资料

【1】http://www./en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_infrared-emitting_device_could_allow_energy_ha/?utm_source=osaHome&utm_campaign=slider&utm_term=sliderlink&utm_content=Optica%20Enrg%20Hrvs

【2】X. Liu, W.J. Padilla, “Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,” Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017).

DOI: 10.1364/optica.4.000430

【3】http://science./content/349/6254/1310

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