Надрукований меташлем сховав об'єкт в ІК-діапазоні
Китайські фізики спроектували і надрукували з алюмінієвого сплаву меташлем - оболонку з метаматеріалу у формі нормального розподілу. Такий пристрій дозволяє приховувати об'єкти від інфрачервоних детекторів під кутом спостереження до 30 градусів. Стаття опублікована в журналі.
Метаматеріали - композиційні матеріали, в яких незвичайні функціональні проявляються за рахунок штучної періодичної структури. Зокрема, в них можна домогтися негативного або навіть нульового коефіцієнта переломлення. За допомогою метаматеріалів вчені виготовляють камуфляжні пристрої, здатні приховати за собою об'єкт - два роки тому китайські фізики розробили метаматеріал, здатний сховати об'єкт під водою від акустичних детекторів. Детальніше про це застосування метаматеріалів ми розповідали в матеріалі «Анатомія шапки-невидимки».
Вчені вже навчилися ховати теплове випромінювання (детектоване інфрачервоними камерами) за допомогою термоелектричних адаптивних пристроїв, в основному орієнтуючись на електричний відгук використовуваних матеріалів. Метаматеріали теж використовують для цих цілей - винахідники сконструювали випромінювальний плеолог, розроблений на основі термотики - контрольованої провідності теплового потоку (температура фону фактично проектується на поверхню плаща за рахунок мережі тепловодів). Але такі рішення працюють тільки для плоскої архітектури, коли детектор дивиться під відомим кутом - практичне застосування подібних камуфляжів вимагає широкого діапазону кутів спостереження детектором.
Юй-Гуй Пен (Yu-Gui Peng) з колегами з Хуачжунського університету науки і технологій розробив і надрукував на 3D-принтері меташлем (оболонка з метаматеріалу) для ширококутного випромінювального термокамуфляжу у формі тривимірного аналога кривої Гаусса (нормальний розподіл). З його допомогою вчені сховали об'єкти від спостереження ВК-камерами під різними кутами.
Для розробки дизайну ширококутного камуфляжу вчені спроектували камуфляжний меташлем у чотири кроки. Вони почали теоретичні перетворення від форми плоского металевого циліндра, в якому температури дна і стелі однакові, потім верхню поверхню циліндра викривили до форми тривимірного аналога кривої Гаусса (на жаль, автори статті ніяк не обґрунтували вибір такої форми). Після цього фізики перетворили внутрішні ділянки для утворення порожнини і відсікли залишок циліндра. Разом з перетворенням координат метаматеріалу трансформується і теплопровідність - за допомогою цього вчені розрахували розподіл коефіцієнта теплопровідності в кожній точці роботи пристрою.
Потім автори роботи змоделювали хвильову систему з двома шарами контрастної теплопровідності: сплав алюмінію і повітря з теплопровідністю 120 і 0,023 ват на метр на кельвін, відповідно. На фоновій поверхні вони зробили лінійний градієнт температури від 300 до 350 кельвін. При накладенні меташлема об'єкт навіть на великих кутах ставав повністю невидимим в ВК-діапазоні - для оцінки вони ввели коефіцієнт камуфляжу як відношення максимуму різниці між температурою фону і камуфляжу до температурного діапазону меташлема: значення менше 0,05 відносяться до ідеального камуфляжу, а менше 0,1 вважаються успішним камуфляжем. При такому визначенні ефективності лише спостереження при вугіллі в 50 градусів вважаються безуспішними, однак цю проблему вчені вирішили зменшивши висоту меташлема і приховуваного об'єкта в два рази.
Після успішної теорії вчені перейшли до практики. Вони виготовили половинки меташлема зі сплаву AlSi10Mg за допомогою 3D-друку методом селективної лазерної плавки (SLM). Фізики завантажили алюмінієвий циліндр у порожнині меташлема і скріпили дві половинки разом. Потім вони створили температурний градієнт і вимірювали тепловий потік поверхні за допомогою ВК-датчика, що знаходиться під кутами спостереження в 30 градусів по двох осях. На всіх термограмах приховуваний об'єкт невидимий в ВК-діапазоні (однак при цьому злегка помітний сам меташлем). Таким чином дослідники розробили ширококутний камуфляж, який при статичному використанні зможе приховувати об'єкти практично з будь-яким розподілом температури на фоновій поверхні.
Для захисту від теплового спостереження може стати в нагоді не тільки алюмінієвий сплав. Два роки тому фізики сконструювали гнучкий пристрій на основі графена, який здатний змінювати інтенсивність теплового випромінювання графена без нагріву самого матеріалу.