Вчені розробили та випробували перший тривимірний тепловий "плащ-невидимку" — пристрій, здатний приховувати об'єкти від інфрачервоних камер та одночасно захищати їх від екстремальних температур. Це досягнення може відкрити нові шляхи для охолодження мікрочипів, захисту чутливої електроніки, а також запобігання виявленню обладнання за його тепловим слідом.
Пристрій дозволяє маскувати об'єкти різної форми, незалежно від напрямку, з якого надходить тепло. Попередні аналогічні розробки були обмежені двома вимірами або працювали лише за певного напрямку теплового потоку. Нова конструкція розв'язує цю проблему, спрямовуючи тепло в обхід об'єкта, що приховується, а не просто блокуючи його. У результаті на інфрачервоних знімках об'єкт стає невидимим — складається враження, що його зовсім нема.
Дослідження проводили професор цивільного будівництва та охорони навколишнього середовища Іллінойського університету в Урбані-Шампейні Шеллі Чжан, постдокторант Вейчен Лі та аспірант Бо Ван у співпраці з професором Оле Зігмундом з Технічного університету Данії. Результати їхньої роботи були опубліковані в журналі Nature Communications.
"Справжній тепловий 'плащ-невидимка' має працювати незалежно від того, звідки виходить тепло", – зазначає Шеллі Чжан. "Наш пристрій здатний приховати складний тривимірний об'єкт за будь-якого напрямку теплового потоку, зберігаючи при цьому стабільне та захищене середовище всередині."
Новий матеріал уможливлює тривимірне теплове маскування
Створення теплового "плаща-невидимки", що працює у трьох вимірах, тривалий час залишалося складним завданням. Попередні експериментальні пристрої могли перенаправляти тепло лише вздовж плоскої поверхні або в одному конкретному напрямку, що було далеко від можливостей, необхідних для повноцінного маскування.
Щоб подолати ці обмеження, дослідники звернулися до фундаментальних принципів "термотрансформації" — області, яка вивчає способи перенаправлення тепла за допомогою спеціально спроєктованих матеріалів. Вони поставили перед собою ключове питання: "Яка структура матеріалу може забезпечити практично всі теплові властивості, необхідні для ідеального плаща-невидимки?"
Рішенням став новий ґратчастий матеріал, структуру якого можна незалежно регулювати за трьома напрямами. Це дозволяє дослідникам контролювати ефективність проходження тепла через різні ділянки плаща. Порівняно з попередніми розробками, цей матеріал забезпечує набагато ширший діапазон теплопровідності, максимально наближаючись до характеристик, які, згідно з теоретичними розрахунками, необхідні для ідеального теплового маскування.
Важливо, що дослідники не обмежилися комп'ютерним моделюванням, а створили робочий пристрій. За допомогою 3D-друку по металу вони виготовили складні алюмінієві грати, які забезпечують шляхи для ефективного теплоперенесення. Потім, використовуючи метод лиття у форму, вони заповнили простір, що залишився, гумоподібним матеріалом, що володіє низькою теплопровідністю. Спільно ці матеріали утворюють структуру, що дозволяє точно управляти рухом тепла.
Випробування за допомогою інфрачервоної камери підтвердили ефективність "плаща-невидимки"
Для оцінки пристрою дослідники помістили його між нагрітою та охолодженою зонами, створивши різницю температур, що викликала потік тепла у навколишньому середовищі. За допомогою інфрачервоної камери вчені відстежували температурні картини, щоб визначити, чи здатний "плащ" успішно перенаправляти тепло в обхід об'єкта, що приховується.
Експерименти показали, що пристрій може спрямовувати тепло навколо прихованої області, зберігаючи при цьому вихідний розподіл температури навколишнього середовища. Для інфрачервоної камери ця область виглядала так, наче в ній взагалі не було жодного об'єкта. У той самий час температура всередині "плаща" залишалася рівномірною, що захищало прихований простір проти екстремальних зовнішніх умов.
Дослідники також перевірили, чи може плащ працювати з об'єктами складної форми. Їм вдалося приховати хитромудрі тривимірні структури, у тому числі деталізовані моделі, що нагадують людські голови. За словами авторів роботи, раніше створені експериментальні теплові "плащі-невидимки" не демонстрували такого високого рівня поєднання геометричної складності та ефективності маскування.
Можливе застосування в електроніці та технологіях скритності
Здатність керувати тепловими потоками у тривимірному просторі може знайти застосування у багатьох галузях. В електроніці ця технологія допоможе інженерам відводити тепло від чутливих компонентів, покращити терморегуляцію мікрочипів та захистити пристрої, які працюють у складних умовах.
Дослідники також бачать перспективи використання розробки у сфері безпеки та оборони. У майбутньому подібні технології можуть допомогти приховати людей або обладнання від систем теплового виявлення, а також захистити цінні об'єкти від екстремальних температур. В основі таких рішень лежить доведена здатність пристрою перенаправляти зовнішні теплові потоки, підтримуючи при цьому стабільний температурний режим в зоні, що захищається.
"Будь-яка область, де потрібний точний контроль над теплом або захист об'єктів від виявлення тепловізійними системами, може отримати користь із цієї розробки", — зазначає Чжан. "Але ми дивимося на це ще ширше: йдеться про приховування та захист інформації, яку несуть у собі теплові потоки."
Наступне завдання - приховування об'єктів, що генерують тепло
Хоча нинішній варіант "теплового плаща" (маскувального покриття) є значним кроком уперед, дослідники прагнуть створити досконаліші версії, здатні виконувати додаткові функції. Однією з найважливіших цілей є здатність приховувати об'єкти, які самі виробляють тепло, а не просто захищати їх від зовнішнього теплового впливу.
Для цього будуть потрібні матеріали, здатні активно керувати тепловими потоками всередині області, що приховується. Замість того щоб лише перенаправляти тепло, що надходить ззовні, перспективні маскувальні покриття повинні вміти концентрувати, розподіляти або спрямовувати теплову енергію залежно від змінних умов. Подібні можливості могли б розширити сферу застосування цієї технології - від електроніки та систем теплозахисту до пристроїв, що працюють в інфрачервоному діапазоні.
"Ми довели, що створення повноцінного тривимірного всеспрямованого теплового 'плаща' можливе", - каже Чжан. "Наступний етап — розробка таких покриттів, які не лише приховують та захищають об'єкти, а й дозволяють активно керувати теплом для вирішення корисних завдань."
