Un equipo de científicos de la Universidad Rice ha resuelto un problema de larga data en el ámbito de las imágenes térmicas, haciendo posible capturar imágenes claras de objetos a través de ventanas calientes. Las aplicaciones de imágenes en diversos campos, como la seguridad, la vigilancia, la investigación industrial y el diagnóstico, podrían beneficiarse de los resultados de la investigación, publicados en la revista. Ingeniería de Comunicaciones.
“Supongamos que desea utilizar imágenes térmicas para monitorear reacciones químicas en la cámara de un reactor de alta temperatura”, dijo Gururaj Naik, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Rice y autor correspondiente del estudio. “El problema con el que te encuentras es que la radiación térmica emitida por la ventana abruma a la cámara, oscureciendo la visión del objeto”.
Una posible solución sería recubrir la ventana con un material que suprima la emisión de luz térmica hacia la cámara, pero esto haría que la ventana fuera opaca. Para solucionar este problema, los investigadores desarrollaron un recubrimiento que se basa en una asimetría diseñada para filtrar el ruido térmico de una ventana caliente, duplicando el contraste de la imagen térmica en comparación con los métodos convencionales.
En el centro de este avance está el diseño de resonadores a nanoescala, que actúan como diapasones en miniatura para atrapar y amplificar ondas electromagnéticas dentro de frecuencias específicas. Los resonadores están hechos de silicio y organizados en una matriz precisa que permite un control preciso sobre cómo la ventana emite y transmite radiación térmica.
“La pregunta que nos intrigaba era si sería posible suprimir la emisión de calor de la ventana hacia la cámara manteniendo al mismo tiempo una buena transmisión hacia el lado visible del objeto”, dijo Naik. “La teoría de la información dicta que la respuesta es ‘no’ en cualquier sistema pasivo. Sin embargo, existe una brecha: en realidad, las cámaras funcionan dentro de un ancho de banda limitado. Aprovechamos esta brecha y desarrollamos un recubrimiento que suprime la emisión de calor. ventana de banda a la cámara, pero reduce la transmisión de objetos fotografiados sólo en una banda estrecha”.
Esto se logró diseñando un metamaterial que consta de dos capas de diferentes resonancias separadas por una capa espaciadora. El diseño permite que el revestimiento suprima las emisiones térmicas dirigidas a la cámara y es lo suficientemente transparente como para capturar la radiación térmica de los objetos detrás de la ventana.
“Nuestra solución al problema se inspira en la mecánica cuántica y la óptica no hermitiana”, dijo Cyril Samuel Prasad, alumno doctoral en ingeniería de Rice y primer autor del estudio.
El resultado es una revolucionaria metaventana asimétrica capaz de generar imágenes térmicas claras a temperaturas de hasta 873 K (aproximadamente 600 C).
Las implicaciones de este progreso son significativas. Una aplicación inmediata es el procesamiento químico, donde es importante monitorear las reacciones en cámaras de alta temperatura. Más allá del uso industrial, este enfoque podría revolucionar la imagen térmica hiperespectral al abordar el antiguo “efecto Narciso”, donde las emisiones térmicas de la cámara interfieren con la imagen. Los investigadores visualizan aplicaciones en almacenamiento de energía, refrigeración radiante e incluso sistemas de defensa, donde la obtención de imágenes térmicas precisas es esencial.
“Esta es una innovación disruptiva”, señalaron los investigadores. “No sólo resolvimos un problema de larga data, sino que también abrimos nuevas puertas para la obtención de imágenes en condiciones extremas. El uso de metasuperficies y resonadores como herramientas de diseño probablemente transformará muchos campos más allá de la imagen térmica, desde la recolección de energía hasta las tecnologías de detección avanzadas”.
Henry Everitt, científico principal del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y profesor adjunto de Rice, también es autor del estudio.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos bajo el acuerdo cooperativo número W911NF2120031.