Een groep onderzoekers van de Universiteit van Illinois en de Technische Universiteit van Denemarken heeft een 3D-thermische mantel gecreëerd die objecten bijna onzichtbaar kan maken voor warmtebeeldcamera’s. Het apparaat buigt de warmte rond het verborgen object af, zonder de omgevingstemperatuur aanzienlijk te veranderen. Om dit te bewijzen verborgen wetenschappers een appelvormige structuur in een peervormige schaal.
De technologie, beschreven in de studie gepubliceerd op Natuurcommunicatieslaagt erin de temperatuurverdeling rond het verborgen object vrijwel onveranderd te houden, zelfs als de warmte uit verschillende richtingen komt. Een resultaat dat toepassing zou kunnen vinden bij de bescherming van elektronische componenten, bij het thermisch beheer van microchips en bij infrarooddetectiesystemen.
Hoe de warmtewerende mantel werkt
Wanneer warmte door een materiaal stroomt, heeft het de neiging zich van hetere naar koudere gebieden te verplaatsen. Als hij onderweg een obstakel tegenkomt, verandert de stroming van richting, waardoor er veranderingen in de temperatuurverdeling ontstaan. Juist deze verschillen maken de aanwezigheid van een object herkenbaar tijdens een thermische analyse.
De onderzoekers hebben een manier gevonden om dit probleem te omzeilen door een structuur te bouwen die de hitte langs een vooraf bepaald pad geleidt, waardoor deze door het te beschermen gebied stroomt. Om dit te bereiken combineerden ze twee materialen met zeer verschillende eigenschappen: een aluminiumlegering, een uitstekende warmtegeleider, en polydimethylsiloxaan (PDMS), een siliconen die veel minder warmte geleidt.
Het aluminium vormt een driedimensionaal rooster van zeer dunne, met elkaar verweven staven, terwijl de siliconen de lege ruimtes opvullen. Door de dikte en oriëntatie van de staven te veranderen, kunnen de onderzoekers de doorgang van warmte naar elk punt van de structuur controleren. Het rooster is gemaakt door middel van metallic 3D-printen, een techniek die de reproductie van bijzonder complexe geometrieën en zeer kleine details mogelijk maakt.
De echte nieuwigheid betreft juist de drie dimensies. Eerdere thermische dekens werden voornamelijk ontwikkeld voor tweedimensionale oppervlakken of warmtestromen uit specifieke richtingen. Het nieuwe apparaat kan zich in plaats daarvan aanpassen aan onregelmatige vormen en onafhankelijk werken van de oriëntatie van de warmtestroom. Zoals Shelly Zhang, hoogleraar techniek aan de Universiteit van Illinois en hoofd van het onderzoek, uitlegde: een echte thermische deken moet werken, ongeacht de richting waar de hitte vandaan komt. En dat is precies de eigenschap die zijn team probeerde te reproduceren.
De appel verborgen in een perenexperiment
Om het apparaat op de proef te stellen, bouwden ingenieurs een structuur met een appelvormige kern, ingesloten in een peervormige behuizing. Uiteraard waren dit kunstmatige geometrieën, gekozen om het gedrag van de mantel rond gebogen oppervlakken te verifiëren. Het monster werd tussen twee aluminium platen geplaatst: de ene verwarmd tot 40 °C, de andere gekoeld met water en ijs.
Na een uur registreerde een warmtebeeldcamera de temperatuurverdeling. De resultaten toonden aan dat de hitte het centrale gebied kon omzeilen, waardoor de omringende thermische distributie vrijwel ongestoord bleef. De lijnen die punten met dezelfde temperatuur verbinden, bleven in wezen recht en regelmatig, alsof de verborgen kern de doorgang van warmte niet hinderde.
Binnen de mantel waren de temperatuurschommelingen echter veel beperkter. De structuur kon daardoor twee functies tegelijkertijd vervullen: de thermische aanwezigheid van het object verbergen en het beschermen tegen externe temperatuurschommelingen. Het experiment werd herhaald door de richting van de warmtestroom te veranderen, waardoor resultaten werden verkregen die consistent waren met de wiskundige simulaties. De onderzoekers bouwden en testten ook een tweede apparaat, dit keer met een hartvormige geometrie.
Van menselijke gezichten tot de meest complexe vormen
Het onderzoek ging ook verder dan de geometrieën die in de eerste experimenten werden gebruikt. Ingenieurs ontwierpen thermische mantels met oppervlakken die menselijke gezichten nabootsen, inclusief neuzen, gelaatstrekken en brillen. Door middel van computersimulaties controleerden ze hoe het rooster zich zelfs aan deze extreem onregelmatige vormen kon aanpassen, waarbij de eigenschappen behouden bleven die nodig zijn om warmte af te buigen.
Om dit te bereiken gebruikten ze bepaalde wiskundige modellen, de zogenaamde sferische harmonischen, waarmee ze complexe driedimensionale oppervlakken konden beschrijven. Sommige structuren zijn ook fysiek gereproduceerd door middel van 3D-printen. Het vermogen om gezichten thermisch te verbergen werd geëvalueerd in de simulaties, terwijl de experimentele controles met een thermische camera de andere geometrieën van metaal en siliconen betroffen. Het resultaat breidt de mogelijkheden uit van zogenaamde thermische metamaterialen, kunstmatige structuren die zijn ontworpen om eigenschappen te verkrijgen die vooral afhangen van hun interne geometrie.
Van microchipbescherming tot thermische afschermingssystemen
De door de onderzoekers veronderstelde toepassingen betreffen verschillende technologische sectoren. Een van de meest interessante is die van de elektronica. Microchips en andere gevoelige componenten kunnen worden beïnvloed door temperatuurschommelingen, vooral wanneer ze in compacte apparaten worden geplaatst en door moeilijk te beheren warmtestromen gaan. Een materiaal dat warmte langs specifieke paden kan leiden, zou bepaalde gebieden kunnen helpen beschermen en stabielere thermische omstandigheden kunnen handhaven.
Een ander gebied betreft de afscherming van apparatuur en de controle van informatie die door hitte kan worden gedetecteerd, met mogelijke ontwikkelingen ook op het gebied van beveiligingssystemen. In de officiële presentatie van het onderzoek legde Zhang uit dat elke industrie waar het nodig is om hitte nauwkeurig te beheersen of iets tegen thermische detectie te beschermen, van de technologie zou kunnen profiteren.
De groep werkt al aan de volgende fase: het ontwikkelen van intelligente mantels, die ook in staat zijn om de warmte te beheren die wordt geproduceerd door de objecten die erin verborgen zijn, in plaats van simpelweg de warmte die van buitenaf komt af te buigen. Voorlopig heeft het apparaat laten zien dat het mogelijk is om een driedimensionaal pad rond een object te bouwen en warmte te laten stromen alsof dat obstakel er niet is. De appel zit nog in de peer. Het is de hitte die heeft geleerd om haar heen te draaien.
