Дякую
Дякую

11.02.2014 | Наука

Новая "шапка-невидимка" спрятала тепло от посторонних глаз

Ученые представили тепловые накидки, которые способны скрыть объекты, излучающие тепло, и изготовленные из легкодоступных материалов (таких как полистирол) и медь.

Свои разработки презентовали две независимые группы разработчиков из Сингапура.

Возможность подобной маскировки впервые была предложена в 2006 году Ульфом Леонхардтом (Ulf Leonhardt) из Сент-Эндрюсского университета и Джоном Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона, а также пионерами в области трансформационной оптики из американского университета Дьюка в США (Duke University).

Исследования этих физиков показали, что электромагнитные волны могут быть перенаправлены вокруг объекта при помощи метаматериалов, преломляющих свет не естественным образом. Под покровом такой "шапки-невидимки" объект может оставаться невидимым для окружающих наблюдателей. По крайней мере, это верно в теории, на практике же сконструировать подобную защиту от чужих глаз и приборов крайне сложно.

В 2013 году Себастьен Генно (Sebastien Guenneau) из института Френеля, Франция, а также его коллеги из немецкого технологического института Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie) применили эти идеи, построив 2D-покрытие на основе термодинамической трансформации. Тем не менее, сконструировать объёмную тепловую "шапку-невидимку" на основе подобной концепции почти невозможно, ведь такая работа требует крайне анизотропных материалов, сопоставимых по толщине с объектом, который будет такой защитой скрыт.

Исследователи из Сингапура черпали вдохновение из альтернативной концепции электромагнитной "шапки-невидимки", которую впервые предложил в 2009 году известный манипулятор Андреа Алу (Andrea Alù) из университета Техаса. Он же попытался воплотить её в реальность в 2013 году.

Суть в том, что объект покрывается со всех сторон тонким материалом, рассеивающим излучение с фазой, противоположной той, что имеется у излучения, рассеянного объектом. При этом стороннему наблюдателю кажется, словно объект не рассеивает вообще никакого излучения и потому невидим. Идея простая, но такой плащ всегда несовершенен, так как метаматериал может "отменить" рассеяние только дипольно-поляризованных плоских волн. Более сложное излучение (например, радиальные волны, выходящие из точечного источника) имеют поляризационные компоненты более высокого порядка – включая квадруполи, которые не могут быть "уничтожены" таким образом.

Обе команды из Сингапура поняли, что подобные соображения не имеют значения для тепловой накидки, так как тепло является скалярной величиной и тепловой фронт не имеет поляризации. Таким образом, простая двухслойная конструкция может скрыть покрываемый объект, оставляя тепловое распространение вокруг невозмущённым. А значит, тёплый объект будет для наблюдателя невидимым.

Одна из групп исследователей базируется в Национальном университете Сингапура (NUS), её возглавляет Чэн-Вэй Цю (Cheng-Wei Qiu). Эта команда создала двухслойную цилиндрическую оболочку: наружный слой из металлического материала с высокой теплопроводностью и внутренний слой из теплоизолирующего пенополистирола. Конструкцию поместили в блок, теплопроводность которого является промежуточной (не металл, но и не пенополистирол).

Исследователи также вывели формулу для расчёта толщины и проводимости различных слоёв, которые могли бы скрыть объект любого радиуса. С помощью этой формулы они и сконструировали цилиндрическую "шапку-невидимку", которая прятала объекты внутри блока из различных слоёв.

С одной стороны они нагревали конструкцию до 60 градусов Цельсия, а с другой − охлаждали до нуля. Инфракрасное изображение показало, что в то время, как тепло рассеивается через сам блок, алюминиевый цилиндр, помещённый внутрь, имеет неизменную температуру, то есть для проходящего тепла он "невидим". Вне блока при этом потоку тепла ничто не препятствовало.

Тепловой поток за пределами "шапки-невидимки" остаётся невозмущённым. Учёные сочли, что раз подобный эксперимент удался в случае цилиндрической формы защиты, то его можно будет повторить и в сферической.

Другая команда, возглавляемая Байлэ Чжаном (Baile Zhang), состоит из исследователей Наньянского технологического университета (Nanyang Technical University). Эта группа разработала "шапку-невидимку" в виде сферического воздушного кармана, обрамлённого конструкцией из нержавеющей стали. Карман инженеры создали, соединив два одинаковых стальных блока с просверленными в них полусферическими полостями. Команда покрыла поверхность внутренних полусфер сверхтонким слоем меди (они стали стенками воздушного кармана). Медь компенсирует искажение теплового потока, выходящего из воздушного кармана, и позволяет теплу проходить через конструкцию так, словно воздушного пространства внутри не существует. Понятно, что в этом случае внутри воздушного пространства может быть спрятан любой объект. Команда из Наньяна продемонстрировала эффективность своего механизма маскировки, отделяя полушария друг от друга в разное время и измеряя распределение температуры в стальных блоках.

Обе группы из Сингапура надеются сделать свои "шапки-невидимки" пригодными для практического применения, особенно для управления теплом в электрических схемах и цепях. Чжан считает, что такая технология пригодится для производства мобильных телефонов: "Их батареи очень чувствительны к температурам и иногда может произойти взрыв. Такая технология может защитить ключевые элементы от теплового потока, не затрагивая другие компоненты".

Статьи учёных были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Вести.Ru

Фотогармошка 300х250
Аккерманская крепость
Адвокат