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Un métamatériau capable d’utiliser les pertes de chaleur pour produire de l’électricité - Par : Hanen Hattab,

Un métamatériau capable d’utiliser les pertes de chaleur pour produire de l’électricité


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Des chercheurs du Department of Electrical and Computer Engineering de la Duke University ont créé le premier matériau dont la capacité à capter et à émettre des infrarouges  peut être utilisée dans plusieurs applications. Ce matériau combine deux avancées scientifiques très récentes à savoir la microélectromécanique (MEMS) et les métamatériaux. Ces deux technologies vont participer à la miniaturisation, à la réduction et à l’autonomisation de certaines composantes des appareils électroniques.

 

Applications du métamatériau

Cette nouvelle technologie peut être utilisée afin d’optimiser le rendement de cellules thermophotovoltaïques en absorbant la chaleur ou les rayonnements infrarouges (IR) au lieu du spectre visible de la lumière solaire, comme les cellules photovoltaïques habituelles. Avec ce matériau, il est aussi possible de créer un système performant capable de récupérer la chaleur émise par les appareils, particulièrement dans les milieux industriels qui utilisent des fours, comme les industries du verre. On peut, notamment l’employer dans des systèmes plus petits, comme dans les véhicules, où il peut récolter et transformer la chaleur provenant des moteurs en énergie pour charger les batteries.

 

Qu’est-ce qu’un métamatériau?

Un métamatériau est un matériau composite tridimensionnel artificiel dont l’architecture périodique est conçue « en vue d’obtenir une combinaison optimisée de deux ou plusieurs réponses à une excitation spécifique ». Cette typologie de matériau est dotée de propriétés électromagnétiques et mécaniques, microscopiques et macroscopiques, qu’on ne retrouve pas dans un matériau naturel. Ses propriétés mécaniques lui ont valu l’appellation de matériau machine.

L’histoire des métamatériaux

Un mécanisme monobloc en mouvement réalisé avec un métamatériau

 

Les chercheurs ont réalisé un métamatériau dont les éléments fonctionnent comme un MEMS. Cette structure interne lui permet d’absorber et d’émettre très efficacement les ondes IR. De plus les ondes émises épousent la forme d’un motif pixellisé. Le matériau présente un réseau de 8 × 8 pixels commandés individuellement, chacun mesurant 120 X 120 microns. Il peut émettre une large gamme de rayonnements IR et rendre visibles des images mouvantes à une fréquence allant jusqu’à 110 kHz. La mise à l’échelle de la technologie rendra possible la création de caméras IR dynamiques capables d’identifier des personnes dans une foule en mouvement.

 

Comment fonctionnent les MEMS?

Les MEMS sont des composants qui comportent des éléments mécaniques très petits dont les dimensions peuvent atteindre des échelles submicroniques. Ils peuvent fonctionner comme des actionneurs ou des capteurs. Les MEMS servent par exemple à communiquer l’orientation d’une image en détectant le mouvement de déplacement d’un téléphone intelligent.

Le fonctionnement et les applications des MEMS

Architecture du métamatériau

En plus de sa capacité de fonctionner à température ambiante, contrairement aux autres émetteurs IR, ce métamatériau permet de varier la gamme de longueurs d’onde et les fréquences émises, cette modulation étant possible en raison de la géométrie du dispositif et non de la nature chimique des substances qui le constituent.

Le matériau comporte une couche supérieure mobile ajourée par des motifs à carreaux et une feuille métallique inférieure recouverte d’une couche diélectrique (oxyde d’aluminium). Les deux couches sont reliées par huit bras en porte-à-faux longeant le périmètre.

La couche supérieure est amovible et celle d’en bas, fixe. Une tension électrique appliquée sur la couche supérieure fournit une force électrostatique qui actionne l’absorption  et l’émission des IR. Le matériau ne nécessite pas de facto une source de chaleur pour fonctionner. L’intensité des ondes IR émises est modulée en fonction de la distance qui sépare les deux couches. L’appareil absorbe les photons IR et les émet à une grande intensité lorsque les deux couches se touchent, tandis qu’elle émet moins d’énergie lorsque les deux couches sont séparées. La tension commande le mouvement de la couche supérieure de même que la quantité d’énergie émise. Les chercheurs ont testé le dispositif en projetant la lettre « D » visible grâce à une caméra IR.

À l’aide d’une caméra IR, les chercheurs ont démontré qu’ils peuvent modifier le nombre de photons IR émis de la surface du métamatériau MEMS suivant une gamme d’intensités équivalant à une variation de température de près de 20 degrés Celsius.

Les chercheurs ont souligné notamment qu’ils peuvent varier les modèles de motif du métamatériau de la couche supérieure pour créer différentes projections de rayonnement IR en fonction de la disposition des pixels. Ils travaillent maintenant sur la mise à l’échelle de la technologie en créant un prototype ayant plus de pixels – jusqu’à 128 X 128 – et en augmentant leurs tailles.

Coécrite par Xinyu Liu et Willie J. Padilla, cette étude, intitulée « Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter », a été publiée le 13 avril 2017 dans le journal The Optical Society.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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