Физики воплотили в жизнь идею создания на основе метаматериалов экзотических тепловых устройств, управляющих потоками тепла - изолятора, концентратора и инвертора. Работа ученых принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а ее краткое описание можно прочитать на сайте ScienceNow.
В гомогенных материалах тепло равномерно распространяется по градиенту - от горячего к холодному. Однако существуют материалы, которые обладают разной теплопроводностью в разных направлениях. Это свойство наиболее ярко проявляется у так называемых метаматериалов - слоистых композитов, чьи свойства зависят в наибольшей степени от структуры, а не от химического состава.
Ранее математики предложили использовать метаматериалы для создания пассивных тепловых устройств, распространение тепла в которых происходит необычным образом. Среди них были тепловые плащи-невидимки, концентраторы тепла и инверторы. На изобретение тепловых вариантов этих устройств ученых вдохновило использование метаматериалов для создания оптических плащей-невидимок.
Например, предложенные тепловые плащи-невидимки представляли собой своеобразные слоистые оболочки из метаматериалов, проводящие тепло так, чтобы внешний наблюдатель не заметил наличия внутри оболочки посторонних предметов. Толщина слоев оболочки, их количество и теплопроводность были рассчитаны математиками таким образом, чтобы тепло, проходя сквозь слои, огибало спрятанный объект, и градиент тепла восстанавливался. Тепловой концентратор, наоборот, направлял потоки тепла сквозь выбранный объект, а инвертор локально разворачивал тепловой поток в противоположную сторону.
В настоящей статье физики описали создание реальных прототипов рассчитанных тепловых устройств. Они состояли из небольшой металлической сердцевины, окруженной 40 слоями резины и силиконового эластомера, наполненного нитридом бора. Сердцевину вместе с оболочкой создатели залили в прозрачный полимер, к которому с одной стороны подводили тепло, а с другой охлаждали. За распространением тепла в устройстве следили с помощью инфракрасной камеры.
В зависимости от конфигурации слоев (они могли быть открытыми, закрытыми, "скрученными") устройства работали в режиме концентратора, инвертора или теплового плаща-невидимки.
Создатели надеются, что полученные устройства станут основой для создания тепловых компьютеров - вычислительных машин, работа которых будет осуществляться посредством манипуляции потоками тепла, а не электричества. Тепло, которое для обычных компьютеров является нежелательным побочным продуктом, для будущих тепловых устройств, возможно, станет источником энергии. Работа над такими устройствами пока находится в самом начале.