Китайские физики спроектировали и напечатали из алюминиевого сплава меташлем — оболочку из метаматериала в форме нормального распределения. Такое устройство позволяет скрывать объекты от инфракрасных детекторов под углом наблюдения до 30 градусов. Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Метаматериалы — композиционные материалы, в которых необычные функциональные проявляются за счет искусственной периодической структуры. В частности, в них можно добиться отрицательного или даже нулевого коэффициента преломления. С помощью метаматериалов ученые изготавливают камуфляжные устройства, способные скрыть за собой объект — два года назад китайские физики разработали метаматериал, способный спрятать объект под водой от акустических детекторов. Подробнее об этом применении метаматериалов мы рассказывали в материале «Анатомия шапки-невидимки».
Ученые уже научились прятать тепловое излучение (детектируемое инфракрасными камерами) с помощью термоэлектрических адаптивных устройств, в основном ориентируясь на электрический отклик используемых материалов. Метаматериалы тоже используют для этих целей — изобретатели сконструировали излучательный плащ, разработанный на основе термотики — контролируемой проводимости теплового потока (температура фона фактически проецируется на поверхность плаща за счет сети тепловодов). Но такие решения работают только для плоской архитектуры, когда детектор смотрит под известным углом — практическое применение подобных камуфляжей требует широкого диапазона углов наблюдения детектором.
Юй-Гуй Пэн (Yu-Gui Peng) с коллегами из Хуачжунского университета науки и технологий разработал и напечатал на 3D-принтере меташлем (оболочка из метаматериала) для широкоугольного излучательного термокамуфляжа в форме трехмерного аналога кривой Гаусса (нормальное распределение). С его помощью ученые спрятали объекты от наблюдения ИК-камерами под разными углами.
Для разработки дизайна широкоугольного камуфляжа ученые спроектировали камуфляжный меташлем в четыре шага. Они начали теоретические преобразования от формы плоского металлического цилиндра, в котором температуры дна и потолка одинаковы, затем верхнюю поверхность цилиндра искривили до формы трехмерного аналога кривой Гаусса (к сожалению, авторы статьи никак не обосновали выбор такой формы). После этого физики преобразовали внутренние участки для образования полости и отсекли остаток цилиндра. Вместе с преобразованием координат метаматериала трансформируется и теплопроводность — с помощью этого ученые рассчитали распределение коэффициента теплопроводности в каждой точке работы устройства.
Затем авторы работы смоделировали волновую систему с двумя слоями контрастной теплопроводности: сплав алюминия и воздух с теплопроводностью 120 и 0,023 ватт на метр на кельвин, соответственно. На фоновой поверхности они сделали линейный градиент температуры от 300 до 350 кельвин. При наложении меташлема объект даже на больших углах становился полностью невидимым в ИК-диапазоне— для оценки они ввели коэффициент камуфляжа как отношение максимума разницы между температурой фона и камуфляжа к температурному диапазону меташлема: значения меньше 0,05 относятся к идеальному камуфляжу, а меньше 0,1 считаются успешным камуфляжем. При таком определении эффективности лишь наблюдения при угле в 50 градусов считаются безуспешными, однако эту проблему ученые решили уменьшив высоту меташлема и скрываемого объекта в два раза.
После успешной теории ученые перешли к практике. Они изготовили половинки меташлема из сплава AlSi10Mg с помощью 3D-печати методом селективной лазерной плавки (SLM). Физики загрузили алюминиевый цилиндр в полости меташлема и скрепили две половинки вместе. Затем они создали температурный градиент и измеряли тепловой поток поверхности с помощью ИК-датчика, находящимся под углами наблюдения в 30 градусов по двум осям. На всех термограммах скрываемый объект невидим в ИК-диапазоне (однако при этом слегка заметен сам меташлем). Таким образом исследователи разработали широкоугольный камуфляж, который при статичном использовании сможет скрывать объекты практически с любым распределением температуры на фоновой поверхности.
Для защиты от теплового наблюдения может пригодиться не только алюминиевый сплав. Два года назад физики сконструировали гибкое устройство на основе графена, которое способно изменять интенсивность теплового излучения графена без нагрева самого материала.
Артем Моськин