SciTechDaily

ניקולס

מימד חדש של חום: פותחה גישה חדשה לשליטה בפליטות תרמיות

חוקרים פיתחו שיטה חדשה לבקרת פליטה תרמית בממשק מתוכנן. בתמונה כאן כקו אדום גלי, ניתן לעצב את הממשק לכל צורה. קרדיט: מסופק על ידי Coskun Kocabas/אוניברסיטת מנצ'סטר ו-Sahin Ozdemir/Penn State

חוקרים מצהירים כי ממשקים בעלי מבנה דק מספקים גישות עיצוב חדשניות החורגות מחומרים מסורתיים, עם יישומים פוטנציאליים באופטיקה אינפרא אדום, חישה ותחומים אחרים.

חוקרים הנדסו שיטה לשליטה מדויקת בפליטות תרמיות, מה שעלול לשנות טכנולוגיות ניהול תרמיות והסוואה. גישה חדשנית זו, תוך שימוש בטופולוגיה ופוטוניקה שאינה הרמיטיאנית, מראה הבטחה משמעותית ליישומים בטכנולוגיית לוויין ומחוצה לה.

אם חומר סופג אור, הוא יתחמם. החום הזה חייב ללכת לאנשהו, והיכולת לשלוט היכן וכמה חום נפלט יכולה להגן או אפילו להסתיר מכשירים כמו לוויינים. חוקרים מצוות בינלאומי, כולל חברים מפן סטייט, המציאו טכניקה חדשה כדי לווסת את שחרור החום הזה. הם מאמינים שהשיטה שלהם טומנת בחובה פוטנציאל משמעותי לקידום ניהול תרמי וטכנולוגיות הסוואה תרמית.

הצוות פרסם לאחרונה את ממצאיו ב מַדָע.

בהובלת חוקרים מהמכון הלאומי לגרפן של אוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה ובמכללת פן סטייט להנדסה בארצות הברית, עם מומחים מאוניברסיטת קוק בטורקיה והאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה באוסטריה, הצוות הדגים דרך לבנות ממשק מחבר שני משטחים בעלי מאפיינים גיאומטריים שונים כדי לאתר פליטות תרמיות משני המשטחים, מה שמאפשר פולט תרמי "מושלם". משמעות הדבר היא שהפלטפורמה המעוצבת יכולה לפלוט אור תרמי מאזורי פליטה מוכלים ומיועדים עם פליטת יחידה, או שהפלטפורמה פולטת את הקרינה התרמית החזקה ביותר האפשרית בטמפרטורה זו.

"הדגמנו סוג חדש של מכשירים תרמיים המשתמשים במושגים מטופולוגיה – ענף של מתמטיקה החוקר תכונות של עצמים גיאומטריים – ומפוטוניקה לא-הרמיטיאנית, שהיא תחום פורח של מחקר החוקר את האור והאינטראקציה שלו עם החומר בנוכחות הפסדים, רווח אופטי וסימטריות מסוימות", אמר הסופר המקביל Coskun Kocabas, פרופסור לחומרי מכשירים דו-ממדיים באוניברסיטת מנצ'סטר.

הישגים ואתגרים

הצוות אמר שהעבודה יכולה לקדם יישומים פוטוניים תרמיים כדי ליצור, לשלוט ולזהות פליטה תרמית בצורה טובה יותר. יישום אחד של עבודה זו יכול להיות בלוויינים, אמר מחבר שותף סאהין אוזדמיר, פרופסור למדע הנדסה ומכניקה בפן סטייט. מול חשיפה משמעותית לחום ואור, לוויינים המצוידים בממשק יכולים לפלוט את הקרינה הנספגת עם פליטת יחידה לאורך אזור ייעודי במיוחד שתוכנן על ידי חוקרים להיות צר להפליא ובכל צורה שתיחשב נחוצה.

עם זאת, להגיע לנקודה זו לא היה פשוט, לדברי אוזדמיר. הוא הסביר שחלק מהבעיה הוא הגבלת הבולם-פולט התרמי המושלם לממשק בעוד ששאר המבנים היוצרים את הפלטפורמה נשארים "קרים", כלומר מבנים אלה אינם סופגים או פולטים כל צורה של אנרגיה.

סרט ממשק פליטה תרמית

חוקרים יכולים לשנות את עובי שכבת הפלטינה, המוצגת כאן כעיגול כסף, כאשר צד אחד עבה מהשני. על ידי שינוי העובי, שני הצדדים מובאים לנקודת "צימוד קריטית", שבה ניתן לפלוט אור שנבלע על ידי שני הצדדים יחד בנקודת המפגש. נקודת מפגש זו משחררת את הקרינה התרמית בכל צורה שהחוקרים יקבעו. כאן הוא מוצג כקו אדום דק. קרדיט: מסופק על ידי Coskun Kocabas/אוניברסיטת מנצ'סטר ו-Sahin Ozdemir/Penn State

"בניית בולם-פולט מושלם כל כך הייתה אתגר גדול", אמר אוזדמיר.

קל מעט יותר לבנות בולם-פולט בתדר רצוי – בניגוד לבולם-פולט מושלם שיכול לספוג ולפלוט כל תדר – על ידי לכידת האור בתוך חלל אופטי, אמרו החוקרים. החלל האופטי מורכב משתי מראות, כאשר הראשונה שבהן מחזירה אור באופן חלקי בלבד, ואילו השנייה מחזירה אור לחלוטין. הגדרה זו מאפשרת את מה שהחוקרים מכנים "מצב הצימוד הקריטי", שבו האור הנכנס המוחזר בחלקו מהמראה הראשונה והאור המוחזר שנלכד בין שתי המראות מבטלים זה את זה בדיוק. זה מדכא לחלוטין את ההשתקפות, כך שקרן האור נלכדת במערכת, נבלעת בצורה מושלמת ואז נפלטת בצורה של קרינה תרמית.

עיצוב ממשק חדשני

"עם זאת, נקטנו בגישה שונה בעבודה זו, על ידי גישור בין שני מבנים עם טופולוגיות שונות, כלומר הם סופגים ופולטים קרינה בצורה שונה", אמר אוזדמיר. "המבנים אינם נמצאים בנקודת הצימוד הקריטית, ולכן הם אינם נחשבים כפולט בולם מושלם – אך הממשק שלהם מציג ספיגה ופליטה מושלמים."

כדי להשיג ממשק כזה, החוקרים פיתחו חלל מוערם בשכבת זהב עבה המשקפת באופן מושלם את האור הנכנס ושכבת פלטינה דקה שיכולה להחזיר חלקית את האור הנכנס. שכבת הפלטינה, הכוללת שני עוביים נפרדים שחוברים זה לזה, פועלת גם כפולט בולם תרמי רחב פס. בין שתי המראות הציבו החוקרים דיאלקטרי שקוף, או חומר מבודד מפני מוליכות חשמלית, הנקרא פארילן-C.

החוקרים יכולים להתאים את עובי שכבת הפלטינה לפי הצורך כדי לגרום למצב הצימוד הקריטי בממשק התפור וללכוד את האור הנכנס כך שייספג בצורה מושלמת. הם גם יכולים להרחיק את המערכת מהצימוד הקריטי לצימוד תת או סופר קריטי, שבו קליטה ופליטות מושלמים לא יכולים להתרחש.

"על ידי כוונון עדין של עובי שכבת הפלטינה לעובי קריטי של כ-2.3 ננומטר, אנו מביאים את החלל למצב צימוד קריטי שבו המערכת מציגה ספיגה מושלמת וכתוצאה מכך פליטה מושלמת", אמר המחבר הראשון מ. סעיד. ארגוקטס, עמית מחקר בהנדסת חומרים באוניברסיטת מנצ'סטר. "רק על ידי תפירת שתי שכבות פלטינה בעובי קטן וגדול מהעובי הקריטי על אותה שכבה דיאלקטרית, נוכל ליצור ממשק טופולוגי של שני חללים שבהם מוגבלות ספיגה ופליטה מושלמת. נקודה מכרעת כאן היא שהחללים היוצרים את הממשק אינם במצב צימוד קריטי, אלא שהממשק עצמו כן."

הפיתוח מאתגר את ההבנה הקונבנציונלית של פליטה תרמית בשטח, על פי מחבר שותף סטפן רוטר, חוקר באוניברסיטת וינה לטכנולוגיה באוסטריה.

"כל חפץ חם מקרין חום בצורה של אור אקראי לא קוהרנטי", אמר רוטר. "באופן מסורתי, האמינו שקרינה תרמית לא יכולה להיות בעלת תכונות טופולוגיות בגלל הטבע הבלתי קוהרנטי שלה."

עם זאת, עבודה זו הדגימה כי ניתן להנדס פליטה תרמית כך שתהיה לה מאפיינים טופולוגיים, אשר יכולים ליצור מצבי אור מוגבלים מאוד הנפלטים רק מהממשק הטופולוגי בין שני משטחים. החוקרים אמרו שהם גם יכולים לעצב את הפרמטרים של הממשק לכל צורה, מקו צר למשהו מסובך יותר, כמו קווי המתאר של הממלכה המאוחדת.

לדברי Kocabas, הגישה שלהם לבניית מערכות טופולוגיות לשליטה בקרינה נגישה בקלות למדענים ומהנדסים.

"זה יכול להיות פשוט כמו יצירת סרט המחולק לשני אזורים בעוביים שונים, כך שצד אחד עומד בצימוד תת-קריטי, והשני נמצא במשטר הצימוד העל-קריטי, ומחלק את המערכת לשתי מחלקות טופולוגיות שונות," קוקבס. אמר.

הממשק הממומש מפגין פליטות תרמית מושלמת, המוגנת על ידי טופולוגיית ההשתקפות ו"מפגין חוסן מפני הפרעות ופגמים מקומיים", על פי מחבר שותף Ali Kecebas, חוקר פוסט-דוקטורט בפן סטייט. הצוות השתמש בניסויים ובסימולציות מספריות כדי לאשר את המאפיינים הטופולוגיים של המערכת, כמו גם את הפיזיקה הלא-הרמיטית המבססת את אופן פעולת המערכת.

התורמים כוללים את Sina Soleymani, שרכשה דוקטורט במדעי הנדסה ומכניקה מ-Pen State בשנת 2021 כאשר השלבים הראשונים של עבודה זו הושלמו; קונסטנטינוס דספוטליס, Gokhan Bakan ואלסנדרו פרינסיפי, אוניברסיטת מנצ'סטר; ו-Askin Kocabas, University Koc, טורקיה.

פרס מועצת המחקר האירופית, Consolidator Grant, פרס יוזמת המחקר של האוניברסיטה הרב-תחומית (MURI) של משרד חיל האוויר למחקר מדעי על מערכות ניתנות לתכנות עם דינמיקה קוונטית לא הרמיטית ופרס משרד חיל האוויר למחקר מדעי תמכו בעבודה זו.

ניקולס