Тепло обратили вспять

Безо всякого нарушения начал термодинамики Юки Сато и Сапрадип Нарайана из Гарвардского университета (США) сконструировали устройство, способное перенаправлять поток тепла на 180˚. Решение может найти весьма широкое применение в самых разных областях, включая тепловые компьютеры.

Тепло в природе течёт от более горячего тела к более холодному. Человеку этот процесс часто доставляет массу неудобств. Скажем, военные очень хотели бы получить средство полной изоляции своих солдат и техники от приборов ночного видения врага.

Но даже так называемая маскирующая в инфракрасном диапазоне накидка НАТО может лишь уменьшить интенсивность процесса перетока тепла от горячего тела к холодному.

Исследователи из Гарварда попробовали повернуть эту реку вспять.

 Для «огибания» теплом объекта, не нуждающегося в нагреве, обычно используют более теплопроводную оболочку, по которой тепло уходит по сторонам от предмета и за него. Юки Сато и Сапрадип Нарайана просто решили проверить, что будет, если изогнуть поток теплопроводящих слоёв в противоположном направлении. Для этого они подобрали сложный композитный материал из сорока слоёв, расположенный в упорядоченной структуре, — что-то вроде метаматериала для тепла.

«Поток тепла, как и электрический ток, должен рассматриваться как что-то, чем можно управлять, манипулировать, контролировать и обрабатывать», — полагает Юки Сато.

Созданное устройство учёные называют «тепловым щитом», простейшим прибором, способным манипулировать потоком тепла.

Его сорок концентрически расположенных слоёв состоят из резины на базе натурального каучука и вымоченного в бор-нитридной смеси силиконового эластомера.

В экспериментах устройство помещали в теплопроводящее желе, и тем не менее одна его сторона постоянно оставалась тёплой, а другая — холодной.

Температурный градиент по длине устройства, исследованный при помощи ИК-камеры, оказался очень необычным: тепло почти совсем не проходило по «тепловому щиту» даже при сильном нагреве.

Во время опытов применялись слои из тех же материалов, расположенные воронкой, — для концентрации тепла в одной, центральной области желе. В итоге учёные добились нагрева устройства, хотя соседние области желе, находящиеся за «тепловым щитом», оставались холодными. Наконец, исследователи попробовали «скрутить» устройство, складывая слои как в «перекрученной швабре».

И именно в этом эксперименте впервые удалось получить столь необычный результат, как разворачивание теплового потока в направлении, прямо противоположном его естественному течению.

Результаты этой необычной работы в ближайшее время будут опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Авторы изобретения отмечают, что помимо тех областей, где необходима высокая степень теплоизоляции небольших объектов, окружённых со всех сторон тепловыделяющими предметами (радиоэлектроника и пр.), новый подход к управлению потоком тепла может пригодиться при создании «тепловых компьютеров». Вот их рассуждение на эту тему: повышение или понижение температуры на одной стороне «транзистора» (посредством термоэлектрических материалов) приведёт к переключению управляемого потока тепла в нужном направлении, что будет соответствовать логической операции.