當(dāng)科學(xué)家試圖把事情做得更好時，他們往往會求助于一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，試圖推翻或修正它。一個使用勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)獨(dú)特分子鑄造廠的研究人員聯(lián)盟正著手利用普朗克定律。

普朗克定律是量子理論基礎(chǔ)，普朗克定律指出，來自受熱物體的電磁輻射分布在很寬的波長和角度范圍內(nèi)。然而，馬克斯·普朗克本人指出，如果發(fā)射物體的特征尺寸小于熱波長(室溫下約為10微米)，那么發(fā)射能量分布將明顯偏離他的定律。

隨著微型和納米技術(shù)的出現(xiàn)，制造普朗克定律不適用的材料變得很容易。研究人員開始確定與普朗克定律的偏差，以便了解基于納米和微觀結(jié)構(gòu)幾何的技術(shù)受到這種影響。設(shè)想一種蓄熱材料，它將電能轉(zhuǎn)化為熱能，然后將其輻射到光伏電池，以便在需要時將電能收回。從蓄熱體中獲得的輻射發(fā)射極可以由納米結(jié)構(gòu)制成，以最大限度地提高性能。另一個例子是在高溫納米幾何熱電學(xué)領(lǐng)域，高溫余熱轉(zhuǎn)化為電能。

從這些納米尺度特征來理解輻射是很重要的，因?yàn)檩椛涫歉邷叵聼嵝孤┑闹饕獊碓?，會?dǎo)致熱電轉(zhuǎn)換效率降低。像這樣的研究是美國國家實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)，研究人員提出的問題和做實(shí)驗(yàn)可能無法支持早期工業(yè)。像分子鑄造這樣的科學(xué)用戶設(shè)施也有助于這類研究。分子鑄造是美國能源部資助的納米科學(xué)研究實(shí)體，它為來自世界各地的用戶提供了在多學(xué)科協(xié)作環(huán)境中獲取尖端專業(yè)知識、儀器和建模工具的途徑。在這種情況下，研究人員使用分子鑄造中可用的輻射模型來模擬硅玻璃(一種極性介電材料)矩形納米帶的熱輻射。

該模型是在美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)的超級計(jì)算機(jī)上完成，NERSC是美國能源部設(shè)在伯克利實(shí)驗(yàn)室的另一個用戶設(shè)施。研究人員之一Ravi Prasher說：還沒有人研究過納米幾何的相對行為，特別是各向異性納米幾何，即橫向呈矩形的納米結(jié)構(gòu)。這種早期能源轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用對許多可再生能源的應(yīng)用都很重要，例如集中太陽能發(fā)電、海水淡化、熱化學(xué)反應(yīng)、水加熱和蓄熱，其研究發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊文獻(xiàn):《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-09378-5

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