Учёные разработали и испытали первый трёхмерный тепловой плащ-невидимку — устройство, которое способно скрывать объекты от инфракрасных камер и одновременно защищать их от экстремальных температур. Это достижение может привести к появлению новых способов охлаждения микрочипов, защиты чувствительной электроники и предотвращения обнаружения техники по её тепловому излучению.
Плащ способен скрывать объекты самой разной формы независимо от того, с какой стороны подходит тепло. Прежние тепловые плащи были ограничены двумя измерениями или работали только при определённом направлении теплового потока. Новая конструкция преодолевает эти ограничения: она не просто блокирует тепло, а направляет его в обход скрытого объекта. В результате на инфракрасном изображении видна картина распределения температуры, из-за которой кажется, что объекта там нет.
Исследование провели профессор гражданского строительства и экологической инженерии Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Шелли Чжан, постдокторант Вэйчэнь Ли и аспирант Ибо Ван в сотрудничестве с профессором Оле Сигмундом из Технического университета Дании. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
«Настоящий тепловой плащ должен работать независимо от того, откуда приходит тепло, — сказала Чжан. — Наше устройство может скрыть сложный трёхмерный объект при любом из бесконечного множества направлений теплового потока, сохраняя при этом температуру внутри стабильной и защищённой».
Новый материал делает возможной трёхмерную тепловую невидимость
Создание теплового плаща, работающего в трёх измерениях, давно считалось трудной задачей. Предыдущие экспериментальные устройства могли перенаправлять тепло лишь по плоской поверхности или вдоль одного направления теплового потока, и этого было далеко не достаточно для полностью трёхмерного плаща.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи вернулись к основополагающим принципам трансформационной термотики — области, изучающей, как можно перенаправлять тепло с помощью специально спроектированных материалов. Они сосредоточились на ключевом вопросе: «Какая структура материала могла бы охватить почти все тепловые свойства, необходимые для идеального плаща?»
Решением стал новый материал на основе решётки, структуру которого можно независимо регулировать по трём направлениям. Это позволяет исследователям управлять тем, насколько эффективно тепло проходит через разные части плаща. По сравнению с прежними конструкциями материал способен обеспечить гораздо более широкий диапазон теплопроводности, close приближаясь к свойствам, которые, согласно расчётам, необходимы для идеального теплового плаща.
Важно, что исследователи не ограничились компьютерным моделированием и создали работающее устройство. С помощью 3D-печати металлом они изготовили сложную алюминиевую решётку, обеспечивающую пути для эффективной теплопроводности. Затем методом литья в форму они заполнили оставшиеся пространства резиноподобным материалом, плохо проводящим тепло. Вместе эти материалы образуют структуру, которая позволяет тщательно управлять движением тепла.
Испытания с инфракрасной камерой подтвердили, что плащ работает
Чтобы оценить устройство, команда поместила его между горячей и холодной областями, создав разность температур, из-за которой тепло потекло через окружающую среду. Возникающие температурные картины отслеживали с помощью инфракрасной камеры, чтобы определить, сможет ли плащ успешно направить тепло в обход скрытой области.
Эксперименты показали, что устройство способно направлять тепло в обход скрытой области, сохраняя температурную картину вокруг неё. Для инфракрасной камеры эта область выглядела почти так же, как выглядела бы без объекта. При этом температура внутри плаща оставалась равномерной, защищая скрытое пространство от экстремальных условий снаружи.
Исследователи также проверили, сможет ли плащ скрывать необычайно сложные объекты. Им удалось успешно скрыть замысловатые трёхмерные геометрические формы, в том числе детализированные формы, напоминающие человеческие головы. По словам команды, ранее созданные экспериментальные тепловые плащи не демонстрировали сопоставимого сочетания геометрической сложности и эффективности маскировки.
Возможное применение в электронике и технологиях скрытности
Возможность управлять теплом в трёх измерениях может иметь важное значение для ряда отраслей. В электронике эта технология могла бы помочь инженерам отводить тепло от чувствительных компонентов, улучшать терморегуляцию в микрочипах и защищать устройства, работающие в тяжёлых условиях.
Исследователи также видят потенциал применения в сфере безопасности и обороны. Будущие версии технологии могли бы помогать скрывать людей или технику от систем теплового обнаружения или защищать ценные объекты от экстремальных температур. Такое применение опирается на продемонстрированную способность устройства перенаправлять внешнее тепло, сохраняя тепловую стабильность защищаемой области.
«От этой работы может выиграть любая область, где нужен точный контроль тепла или защита чего-либо от теплового обнаружения, — сказала Чжан. — Но мы смотрим на это и шире: речь идёт о сокрытии и защите информации, которую несёт тепло».
Следующая задача — скрывать объекты, которые сами выделяют тепло
Хотя нынешний плащ представляет собой серьёзный шаг вперёд, исследователи хотят создать более совершенные версии, способные выполнять дополнительные функции. Одна из особенно важных целей — скрывать объекты, которые сами производят тепло, а не только защищать их от тепла, поступающего снаружи.
Для этого потребуются материалы, способные активно управлять теплом внутри скрытой области. Вместо простого перенаправления поступающего тепла будущему плащу придётся концентрировать, распределять или направлять тепловую энергию по мере изменения условий. Такие возможности могли бы расширить полезность технологии в электронике, тепловой защите и приложениях, связанных с инфракрасным обнаружением.
«Мы показали, что настоящий трёхмерный всенаправленный тепловой плащ возможен, — сказала Чжан. — Следующий шаг — создать плащи, которые не просто скрывают и защищают, но и активно управляют теплом с пользой».
Исследование получило поддержку Национального научного фонда США, фонда Виллума и Управления научных исследований ВВС США. Чжан также связана с кафедрой механики и машиностроения и Национальным центром суперкомпьютерных приложений при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне.