研究者らは、高出力のフェムト秒レーザーパルスで金属表面にナノスケールの構造を刻み込み、太陽光の波長域の光だけを選択的に吸収し、それ以外の波長域の光は吸収しないようにしました。
通常の金属表面は光沢があり、反射率も非常に高いものです。数年前、チュンレイ・グオ氏の研究室は、光沢のある金属を真っ黒にする黒色金属技術を開発しました。
「しかし、理想的な太陽光吸収体を作るには」と、ロチェスター大学で光学の教授を務め、物理学・天文学部門および材料科学プログラムにも所属するグオ氏は述べます。「黒色金属だけでは不十分です。その結果が、この選択的吸収体です。」
この表面は太陽光からのエネルギー吸収を高めるだけでなく、他の波長域での熱放散も抑えます。グオ氏によれば、事実上「初めて理想的な金属製太陽光吸収体を実現した」のです。「熱電発電装置を使って太陽エネルギーを利用できることも実証しました。」
「日射量の多い地域をはじめ、あらゆる熱利用型太陽エネルギー吸収体やエネルギー回収装置に役立つでしょう」と同氏は付け加えます。
研究者らはアルミニウム、銅、鋼、タングステンを用いて実験しました。熱利用型太陽光吸収体として一般に使われるタングステンに新しいナノスケール構造を施したところ、太陽光の吸収効率が最も高くなることが分かりました。これにより、未処理のタングステンと比べて熱電発電の効率が130%向上しました。
研究室では、フェムト秒レーザーによるエッチング技術を使って、超撥水性の（水をはじく）金属や超親水性（水になじむ）金属も作製しています。例えば2019年11月、グオ氏の研究室は、金属構造体を沈まないように作製したと報告しました。水中に何度押し込んでも、どれほど損傷したり穴が開いたりしても沈みません。
しかし今回の新しい論文は、フェムト秒レーザーで黒色金属を作るという研究室の初期の取り組みを発展させたものです。
水をはじく金属や水になじむ金属を作る以前に、グオ氏と助手のアナトリー・ヴォロビエフ氏は、フェムト秒レーザーパルスを使ってほぼあらゆる金属を真っ黒にできることを実証しました。金属表面に作られた構造は、光などの入射放射を極めて効果的に取り込みました。ただし、幅広い波長域の光を吸収していました。
その後、同氏のチームは同様の手法を使い、さまざまな金属の色を変え、すでに実現していた黒色に加え、青、金色、灰色などの色を作り出しました。応用例としては、カラーフィルターや光学スペクトル装置の製造、1台のレーザーでさまざまな色の車を生産する自動車工場、家族のフルカラー写真を冷蔵庫のドアに刻むこと、婚約者の青い瞳の色に合わせた金の婚約指輪でプロポーズすることなどが考えられます。
研究室は、初期の黒色・着色金属技術を使い、一般的なタングステンフィラメントの表面にナノ・マイクロスケールの独特な構造配列を作製しました。これにより、同じエネルギー消費量で電球をより明るく光らせることができます。
「電球のガラス越しにレーザー光線を照射し、フィラメントの一部を加工しました。電球を点灯すると、その部分がフィラメントの他の部分より明らかに明るいことが実際に確認できました」とグオ氏は述べます。
この論文は、Light: Science & Applicationsに掲載されています。この研究は、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団、陸軍研究局、米国国立科学財団の助成を受けました。
出典：ロチェスター大学
