Термоэлектрическую панель превратили в носимый тепловой камуфляж
Американские и сингапурские инженеры предложили использовать термоэлектрические панели для создания носимого активного теплового камуфляжа, подстраивающего свою температуру под температуру окружающих объектов. Для того, чтобы пользователь не испытывал дискомфорта от ношения такого устройства из-за перепадов температуры, инженеры встроили в прототип слой материала с фазовым переходом возле температуры тела, что позволяет ему поглощать или отдавать тепло. Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Для маскировки в видимом диапазоне человеку достаточно даже частично закрыть себя предметом с цветом и фактурой, похожей на фон. Однако поскольку он, как и другие объекты, выделяет тепловое инфракрасное излучение, при наблюдении с помощью тепловой камеры такой маскировки недостаточно. Уже существуют как пассивный тепловой камуфляж, статично перекрывающий тепловое излучение, так и активный, меняющий это излучение необходимым образом, чтобы его уровень соответствовал фоновому или его распределение напоминало какой-либо объект. Однако пока активный камуфляж применяется только на некоторых больших боевых машинах и недоступен для ношения.
Инженеры под руководством Жэнькуня Чэня (Renkun Chen) из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали прототип носимой панели, с активно и быстро изменяемой температурой поверхности, которая при этом не вызывает дискофморт для кожи носящего ее человека. Основная часть, отвечающая за изменение температуры, была разработана ранее этой же группой ученых и в их прошлой статье использовалась для создания носимого термостата для охлаждения тела в жаркую погоду. Она представляет собой термоэлектрический слой, который благодаря эффекту Пельтье создает разницу температур между двумя своими сторонами под действием электрического тока.
Термоэлектрический слой состоит из массива стержней из термоэлектрического материала, которые через торцы связаны между собой металлическими электродами. По сторонам этот массив покрыт изолирующим эластомером. Инженеры выбрали такое строение с множеством отдельных стержней для того, чтобы изолировать внешние стороны друг от друга с помощью прослойки из воздуха в пустотах между стержнями. Кроме того, это позволяет сделать термоэлектрический слой относительно гибким несмотря на то, что сами стержни состоят из жесткого неорганического материала.
Под действием электрического тока термоэлектрический слой может в течение минут менять свою температуру с разных сторон на более 20 градусов Цельсия в каждую сторону относительно температуры человеческого тела. Однако это может причинять дискомфорт для носителя камуфляжа, поэтому разработчики разместили на внутренней стороне прототипа слой из материала с фазовым переходом при температуре 28 градусов Цельсия. При переходе от одного фазового состояния к другому этот материал поглощает или выделяет тепло, тем самым компенсируя перепад температур между панелью и кожей.
Инженеры провели несколько экспериментов на нагревателе, а также на человеке, который надевал прототип камуфляжной панели на запястье. Температуру внешнего слоя панели и фона они отслеживали с помощью термопар. На ролике с испытанием носимого прототипа можно видеть, как панель успешно синхронизирует свою температуру с температурой фона в пределах от 16 до 38 градусов Цельсия с задержкой около 10 секунд относительно изменения температуры фона.
В 2018 году другая группа ученых создала активный тепловой камуфляж из графена, работающий иным образом. Он меняет интенсивность своего теплового излучения, не меняя при этом реальной температуры поверхности, что позволяет не использовать дополнительные устройства для охлаждения в случае использования в виде носимого камуфляжа.
Григорий Копиев
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.