Ученые создали первый трехмерный плащ, делающий объекты невидимыми для тепла
Новый трехмерный материал способен направлять тепло вокруг сложных объектов, защищая их от экстремальных температур и инфракрасного излучения.
На инфракрасной камере теплый объект обычно четко выделяется на фоне более холодного окружения. Исследователи создали трехмерную мантию, которая изгибает тепло вокруг объекта, стирая его тепловые контуры и защищая пространство внутри от экстремальных температур.
Это устройство — первая физическая трехмерная тепловая мантия, предназначенная для сокрытия сложных объектов практически со всех сторон. Вместо того чтобы останавливать тепло у барьера, оно перенаправляет поток вокруг скрытой области, а затем позволяет ему продолжать движение по первоначальному пути. Для инфракрасной камеры, наблюдающей снаружи, температурная картина выглядит практически неизмененной, как будто объекта нет.
Этот подход в конечном итоге может улучшить контроль температуры вокруг микрочипов и чувствительных электронных компонентов. Он также может помочь защитить оборудование в суровых условиях или уменьшить тепловые сигнатуры, используемые для обнаружения людей и оборудования.
Исследование было проведено профессором гражданского и экологического инжиниринга Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн Шелли Чжан, постдокторантом Вэйчэнем Ли и аспирантом Ибо Ваном под руководством профессора Оле Сигмунда из Технического университета Дании. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Communications.
Всенаправленная маскировка преодолевает прежние ограничения
«Настоящая тепловая маскировка должна работать независимо от источника тепла», — сказала Чжан. «Наше устройство может скрывать сложный трехмерный объект в бесконечном количестве направлений, сохраняя при этом температуру внутри стабильной и защищенной».
Предыдущие экспериментальные маскировки контролировали тепло только на плоских поверхностях или вдоль одного заранее определенного маршрута. Если тепло приближалось с другого направления, температурное возмущение, создаваемое скрытым объектом, могло стать видимым.
Шелли Чжан
Шелли Чжан, профессор гражданского и экологического инжиниринга. Источник: Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи вернулись к трансформационной термодинамике — теории, которая вычисляет, как тепло должно распространяться вокруг защищаемой области, чтобы окружающее температурное поле выглядело неизменным. Идея похожа на перенаправление тока вокруг препятствия и его повторное соединение с другой стороны без видимых нарушений.
Задача заключалась в том, чтобы превратить это математическое описание в структуру, которую можно изготовить. Различные области плаща должны были иметь тщательно подобранную теплопроводность, то есть они должны были передавать тепло с разной скоростью и в разных направлениях.
Исследователи решили эту проблему с помощью решетчатого материала, геометрию которого можно независимо регулировать в трех измерениях. Изменение формы и расположения решетки позволяет каждой секции проводить тепло по-разному. Этот более широкий диапазон теплового поведения приблизил физическое устройство к условиям, предсказанным для идеального плаща.
Гибридная решетка контролирует тепловой поток
Следующим шагом было доказательство того, что конструкция может функционировать как реальный объект, а не только как компьютерная симуляция. Исследователи объединили два материала с резко контрастирующими способностями к передаче тепла.
Они напечатали на 3D-принтере точную алюминиевую решетку, чтобы создать высокопроводящие каналы внутри плаща. Алюминий легко проводит тепло, позволяя энергии быстро распространяться через выбранные области. Оставшиеся пространства были заполнены методом литья в форму эластичным материалом, который передает тепло гораздо медленнее.
Вместе эти материалы создали контролируемый тепловой поток. Некоторые участки ускоряли тепловой поток, в то время как другие ограничивали его, направляя энергию вокруг пространства, занимаемого скрытым объектом.
Для лабораторного теста исследователи поместили плащ между горячими и холодными областями, создав температурный градиент по всему устройству. Затем инфракрасная камера зафиксировала, как тепло перемещается внутри и вокруг структуры.
Снаружи тепловой рисунок выглядел почти так, как будто скрытого объекта не существует. Тепло проходило вокруг защищенной области и возвращалось за ее пределы, не вызывая сильных искажений, которые обычно выявляют препятствие. Внутри плаща температура оставалась равномерной, и он оставался изолированным от окружающих горячих и холодных условий.
Затем исследователи усложнили задачу, скрыв сложные трехмерные формы, включая детализированные формы, напоминающие человеческие головы. Эти испытания показали, что данный метод может применяться к объектам неправильной геометрии, а не только к простым объектам, предназначенным для контролируемых экспериментов.
