新型紅外線發射器：由超穎材料製成，可利用廢熱！

導讀

美國杜克大學科研人員首次設計出由「超穎材料」製成的MEMS「紅外線發射裝置」，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，而且還可以用於廢熱利用。另外，這種可重構的超穎材料，還將有望應用於動態紅外線「光學隱身斗篷」，或者紅外線範圍內的「負折射率介質」。

技術關鍵字

超材料、負折射率、光學隱身斗篷、廢熱

背景知識

為了更好的閱讀文章和理解這項前沿創新技術，John 先帶大家認識一下核心的背景知識。

• 超材料

「超穎材料」（Metamaterial），又稱為超材料，簡單地說，它是指通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料，典型的超材料有：左手材料、光子晶體、超磁性材料 、金屬水等等。超常物理特性包括：負磁導率、負介電常數、負折射率等等。

超材料

(圖片來源於：維基百科)

這些材料的應用領域包括光纖、醫療設備、航空航天、感測器、基礎設施監控、智能太陽能管理、雷達罩、超材料雷達天線、聲學隱身技術、吸波材料、全息技術等等。

之前，John在《新型超穎材料：有效助推太赫茲技術發展》、《新型超穎材料應用前景廣闊：可吸收光線能量產生振蕩》、《科學家研發超穎材料設備 全息技術從科幻走向現實》這幾篇文章中，都有提及超穎材料的一些具體應用。

• 負折射率

幾乎所有的天然材料，在碰到光學介質例如玻璃或者水的時候，都會具有正的介電常數和磁導率，所以它們都是正折射率材料。而超穎材料和自然材料不同，它們會具有負折射率。「負折射率材料」（Negative index materials)的介電常數和磁導率（Permeability)都是負的，從而導致負的折射率。

這種材料有時又被稱為「左手介質」，光學材料中，如果介電常數和滲透率都是正的，光波在這種介質中向前傳播；如二者都是負的，則光波向後傳播。

負折射率圖解

(圖片來源於：維基百科)

一般來說，當光線穿過不同介質的界面時，光的傳播路線會改變，不再沿直線傳播，也就是發生了折射。一根筷子插到水中，筷子好像在水面處被折斷了，水中的部分看起來有點線上彎折，也許大家對於這個現象並不陌生。

然而，下面一幅圖中光線發生折射后的傳播情況，卻和正折射率介質中的不同，大家可以仔細觀察一下：

光線發生負折射率現象的圖解，可以看出折射后的光線傳播的方向，和我們在一般天然物質中觀察到的不一樣。

(圖片來源於：維基百科)

• 光學隱身斗篷

隱身斗篷，披上后可以隱身。在《哈利波特》系列小說中，這是一件十分神奇的道具，成為了哈利波特的一種魔法。

現實世界中，2014年，卡爾斯魯厄理工學院的研究人員就使用新型漫射光散射介質製造出了隱身斗篷，可實現光學隱身，此前他們已經研究過紅外隱身技術。

漫射光散射介質中的光路圖，左邊的測試對象蒙了一層陰影，而使用新介質的右邊物體沒有陰影。（圖片來源於：卡爾斯魯厄理工學院）

2015年，美國伯克利實驗室的研究人員也利用過「超穎材料」，研發出了一款隱身斗篷，這款隱形斗篷可以散射可見光、紅外線和X射線，它與隱藏目標物體交互作用，使其無法被觀看到。

這款「超薄皮膚隱形斗篷」，可以隱藏任何外型的3D物體。當前該隱形斗篷僅是顯微等級，未來可進一步隱形較大體積的物體。

（圖片來源於：伯克利實驗室）

當然，關於隱形斗篷還有更多的相關研究，這裡就不詳細介紹了，留日後和大家探討。

• 廢熱

所謂「廢熱」，顧名思義，就是浪費掉的熱量，即工業生產或交通運輸中排出的溫度較高的廢氣、廢液含有大量熱能，以往多不加利用，故習慣上稱廢熱，也稱餘熱。對於這部分能量的回收再利用，不僅減少環境熱污染，而且提高能源利用率。

創新探索

介紹了這麼多的相關背景知識后，我們要切入今天的正題了，介紹一下杜克大學的這項創新發明，簡單點說：

它是一種可重構的裝置，能以一種完全可控的方式，發射出不同的熱紅外光圖案，未來將可用於採集紅外線波長的廢熱，並將它轉換成有用的能量。

（圖片來源於：參考資料【2】）

Padilla 和博士生 Xinyu Liu 設計了製造設備所使用的超穎材料，它能夠十分高效地吸收和放射紅外線。

關鍵技術

研究人員將超穎材料和微機電系統（MEMS）的電子控制的運動相結合，設計出了首個具有紅外線發射特性的超穎材料設備，這種特性能夠在逐個像素點的基礎上迅速變化。

正如在光學會雜誌《Optica》中所報道的，這種新型紅外線發射裝置，由一個 8 × 8 的單獨可控的像素點陣列組成，每個像素點是120 X 120微米。

單個像素點的圖像

（圖片來源於：參考資料【2】）

具體的工作方式和原理，簡單描述如下：

新型可重構的紅外線發射器，由頂部圖案化的金屬超穎材料，和底部的保持固定的金屬層組成。當這兩層接觸的時候， 該裝置吸收紅外光子，並且通過高頻激發它們；當兩層分離的時候，該裝置發射出的紅外能量將變少。施加電壓可以控制頂層的運動，所以發射出的紅外線能量取決於施加的電壓的大小。

這種MEMS超穎材料裝置的演示情況如下圖所示，在紅外線攝像頭下可以看見大寫字母「D」。

（圖片來源於：參考資料【2】）

研究人員報告稱，他們的紅外線發射器，能夠達到一些列的紅外線強度，以高達110 KHz（每秒10萬次） 的速度顯示圖案。

創新價值

• 改善熱光伏電池性能

這項新技術可用於改善「熱光伏電池」。熱光伏電池是一種將熱輻射能量轉化為電能的技術，它能夠利用紅外線（或者說熱量），而不是像傳統的太陽能電池一樣吸收可見光。

科學家們一直致力於設計熱光伏電池，從而吸收較熱區域中的熱量，例如玻璃工業中使用到的爐和窯周圍的熱量。例如，他們也可以用於將汽車引擎的熱量轉化為電能，給汽車電池充電。

杜克大學的Willie J. Padilla 說：

「因為紅外線的能量輻射，或者說強度，是可控的。這種新型紅外線發射器能夠提供一種定製的方式，採集和利用熱能。對於利用這些廢熱，大家有很大的興趣，而我們的技術能夠改善這一過程。」

• 室溫條件下可用

相比其它的可變紅外線發射器的實現方案，這種新技術能夠溫度沒有任何改變的情況下，發射出可調諧的紅外線能量。因為材料既沒有加熱，也沒有冷卻，所以這個裝置可以在室溫條件下使用，而其它方案需要在高溫條件下操作。

儘管使用天然材料的實驗也可以在室溫下成功，但是他們限制於狹窄的紅外光譜範圍內。

• 波長可擴展

另外，這種超穎材料的應用範圍還可以擴展。對此，Padilla 說：

「除了能夠在室溫條件下操作，使用超穎材料還能夠使得從紅外線波長擴展到可見光或者更低的頻率。這是因為裝置的特性是通過幾何學實現的，而不是通過我們正在使用的組分材料的化學特性。」

• 動態紅外線發射

研究人員通過使用一個紅外線攝像頭，展示了他們可以在一些列的強度（相對於近20攝氏度的溫度改變）範圍下，動態改變MEMS超穎材料表面發出的紅外線光子的數量。

應用價值

研究人員稱，他們可以改變頂層使用的超穎材料圖案，創建出不同顏色的紅外線像素點，每個像素點在強度方面都可以進行調諧。這將使得紅外線像素點的創建和電視使用RGB像素點類似。他們能夠將這項技術進行擴展，創建出一個具有更多像素點（多達128 X 128）的設備，並且增加像素點的尺寸。

所以這項技術經過擴展后，可以用於為朋友創建動態紅外線圖案，或者在戰鬥中識別敵人。

對此，Padilla 說:

「原則上，和我們相似的方案，可以通過這種可重構的超穎材料，產生許多種動態效果。例如，它將用於實現動態的紅外線光學斗篷，或者紅外線範圍內的負折射率介質。」

參考資料

【1】http://www.osa.org/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.sciencemag.org/content/349/6254/1310

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