赤外線カメラで撮影された熱い物体は、冷たい環境では見えないことがよくあります。今回、米国のイリノイ大学アーバナシャンペーン校とデンマーク工科大学の科学研究チームは、三次元空間の熱の流れを誘導できる初の物理的透明マントの開発に成功した。このデバイスは、物体の熱的輪郭を除去して赤外線の観点から「見えない」ようにするだけでなく、内部を極端な温度から保護します。関連する研究結果は、Nature Communications 誌に掲載されています。
従来の熱伝導の遮断とは異なり、この三次元熱透明マントは、保護領域の周囲の所定のルートに沿って熱を導き、反対側で元の伝導ルートを復元することによって機能します。外部赤外線カメラの場合、空間に障害物がないかのように、周囲の温度場分布はほとんど影響を受けません。
これ以前は、ほとんどのサーマル クローキング実験では、平面または特定の単一ルートに沿った制御しか達成できませんでした。熱が他の方向から来ると、隠れたオブジェクトによって引き起こされる温度の摂動が依然として露出します。 「全方位不可視性」の問題を克服するために、研究者らは「変態熱力学」の理論に基づいて計算を行い、熱が特定の領域を迂回するときに周囲の温度場を安定に保つための精密な設計を使用しました。
理論的な数理モデルを現実に変えるために、研究チームは、熱伝導率が極端に異なる2つの材料を組み合わせました。3Dプリンティング技術を使用して、熱伝導チャネルとして熱伝導率の高い微細なアルミニウム格子を作成し、同時にその隙間に熱を非常にゆっくりと伝えるゴム状の材料を流し込みました。この高熱伝導率材料と低熱伝導率材料の組み合わせにより、一部の領域で熱伝達を促進し、他の領域を制限する制御可能な熱流路を作成することに成功し、保護対象の周囲に熱エネルギーを正確に誘導します。
実験室でのテストでは、研究者らは透明マントを高温端と低温端の間に置き、赤外線カメラを使用して熱の流れを記録した。結果は、外部から見ると、内部の保護領域が外部の熱場にほとんど外乱を引き起こさず、内部温度が全体にわたって安定していることを示しています。その後、研究チームは、複雑な人間の頭の形状を含む三次元の不規則な物体に対する熱不可視テストの実施にも成功し、この技術が複雑な幾何学的形状に適応できることを証明しました。
この技術は、マイクロエレクトロニクスの放熱制御、極限環境機器の保護、国防と安全保障の分野で幅広い応用の可能性を示します。たとえば、敏感な電子部品の周囲に熱を直接当てたり、人や機械の赤外線の痕跡を軽減して、赤外線熱画像装置による検出を防ぐことができます。研究チームは、将来の研究の次のステップは、内部自己発熱体の熱管理と不可視化のニーズに対処するための動的応答機能を備えたスマートな熱不可視マントを開発することであると述べた。