Νέα 3D «θερμική κάπα αορατότητας» κρύβει αντικείμενα από υπέρυθρες κάμερες

Αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε η πρώτη τρισδιάστατη «θερμική κάπα αορατότητας», που κρύβει αντικείμενα από υπέρυθρες κάμερες και τα προστατεύει από ακραίες θερμοκρασίες, με τα ευρήματα να δημοσιεύονται στο Nature Communications. Η εξέλιξη αυτή ανοίγει δρόμο για νέες μεθόδους ψύξης μικροτσίπ, προστασίας ευαίσθητων ηλεκτρονικών και αποφυγής εντοπισμού μέσω θερμικού ίχνους.

Η κάπα μπορεί να καλύψει αντικείμενα με ποικίλα σχήματα, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση από την οποία έρχεται η θερμότητα. Προηγούμενα θερμικά «μανδύα» περιορίζονταν σε δύο διαστάσεις ή λειτουργούσαν μόνο για συγκεκριμένη ροή θερμότητας. Ο νέος σχεδιασμός αναδρομολογεί τη θερμότητα γύρω από το κρυμμένο αντικείμενο αντί να τη φράζει, με αποτέλεσμα η υπέρυθρη απεικόνιση να εμφανίζει θερμικό μοτίβο σαν το αντικείμενο να απουσιάζει.

Η έρευνα πραγματοποιήθηκε από την Shelly Zhang, καθηγήτρια πολιτικών και περιβαλλοντικών μηχανικών στο University of Illinois Urbana-Champaign, τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Weichen Li και τον μεταπτυχιακό φοιτητή Yibo Wang, σε συνεργασία με τον καθηγητή Ole Sigmund του Technical University of Denmark.

«Μια πραγματική θερμική κάπα πρέπει να λειτουργεί όποια κι αν είναι η πηγή της θερμότητας», δήλωσε η Zhang. «Η συσκευή μας μπορεί να κρύψει ένα σύνθετο τρισδιάστατο αντικείμενο σε άπειρες κατευθύνσεις, διατηρώντας σταθερή και προστατευμένη τη θερμοκρασία στο εσωτερικό».

Η τρισδιάστατη αορατότητα στη θερμότητα υπήρξε διαχρονική πρόκληση. Οι ερευνητές επανήλθαν στις θεμελιώδεις αρχές της transformation thermotics, που εξετάζει πώς μπορεί να αναδρομολογηθεί η θερμότητα μέσω ειδικά σχεδιασμένων υλικών, με κεντρικό ερώτημα ποια υλική δομή μπορεί να προσεγγίσει τις ιδανικές ιδιότητες για έναν «τέλειο» μανδύα.

Η λύση ήταν ένα νέο υλικό πλέγματος, του οποίου η δομή ρυθμίζεται ανεξάρτητα σε τρεις κατευθύνσεις. Έτσι ελέγχεται η αγωγιμότητα θερμότητας σε διαφορετικά τμήματα της κάπας, καλύπτοντας πολύ ευρύτερο φάσμα θερμικών αγωγιμοτήτων σε σχέση με προηγούμενες προσεγγίσεις και προσεγγίζοντας τις θεωρητικά απαιτούμενες ιδιότητες.

Πέρα από προσομοιώσεις, κατασκευάστηκε λειτουργική συσκευή: πλέγμα αλουμινίου με 3D μεταλλική εκτύπωση για αποτελεσματική αγωγή θερμότητας και χύτευση για την πλήρωση των κενών με υλικό τύπου καουτσούκ που είναι κακός αγωγός. Ο συνδυασμός επιτρέπει ακριβή έλεγχο της ροής θερμότητας.

Για τις δοκιμές, η ομάδα τοποθέτησε τη συσκευή ανάμεσα σε θερμή και ψυχρή περιοχή, δημιουργώντας ροή θερμότητας, και παρακολούθησε τα θερμικά μοτίβα με υπέρυθρη κάμερα. Τα πειράματα έδειξαν ότι η θερμότητα εκτρέπεται γύρω από την κρυμμένη περιοχή, διατηρώντας το περιβάλλον μοτίβο σαν να μην υπήρχε αντικείμενο, ενώ το εσωτερικό της κάπας παρέμεινε ομοιόμορφο και θωρακισμένο από τις ακραίες συνθήκες.

Οι ερευνητές δοκίμασαν επίσης πολύπλοκες γεωμετρίες, συμπεριλαμβανομένων λεπτομερών σχημάτων που θυμίζουν ανθρώπινα κεφάλια. Σύμφωνα με την ομάδα, προηγούμενες πειραματικές θερμικές κάπες δεν έχουν επιδείξει ανάλογο συνδυασμό γεωμετρικής πολυπλοκότητας και απόδοσης απόκρυψης.

Οι πιθανές εφαρμογές εκτείνονται στην ηλεκτρονική, για κατεύθυνση θερμότητας μακριά από ευαίσθητα μέρη και βελτιωμένη θερμική διαχείριση μικροτσίπ, αλλά και στην ασφάλεια και άμυνα, όπου μελλοντικές εκδοχές ίσως συμβάλουν στην απόκρυψη ανθρώπων ή εξοπλισμού από θερμικά συστήματα εντοπισμού ή στην προστασία από ακραίες θερμοκρασίες. «Κάθε πεδίο που χρειάζεται ακριβή έλεγχο της θερμότητας ή προστασία από θερμικό εντοπισμό μπορεί να ωφεληθεί», είπε η Zhang. «Βλέπουμε όμως και κάτι ευρύτερο: την απόκρυψη και προστασία πληροφορίας που μεταφέρει η θερμότητα».

Επόμενος στόχος είναι η απόκρυψη αντικειμένων που παράγουν τα ίδια θερμότητα, κάτι που απαιτεί υλικά με ενεργό έλεγχο θερμότητας στο εσωτερικό της κρυμμένης περιοχής. «Δείξαμε ότι μια πραγματική 3D, πανκατευθυντική θερμική κάπα είναι εφικτή», δήλωσε η Zhang. «Το επόμενο βήμα είναι κάπες που δεν απλώς κρύβουν και προστατεύουν, αλλά χειρίζονται ενεργά τη θερμότητα με χρήσιμους τρόπους».

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το National Science Foundation, το Villum Foundation και το Air Force Office of Scientific Research. Η Zhang είναι επίσης συνδεδεμένη με το Mechanical Science and Engineering και το National Center for Supercomputing Applications στο University of Illinois Urbana-Champaign.