Материал-хамелеон обманул тепловизор

При повышении температуры диоксид ванадия превращался из изолятора в проводник и обратно, проявляя необычные оптические свойства
(фото Mikhail Kats, Harvard SEAS).

Ряды материалов с необычными свойствами пополнила недавняя разработка учёных из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS). Они создали новое покрытие из уже известного материала, обманывающее тепловые камеры − при нагревании оно кажется несколько холоднее, чем является на самом деле.

В ходе лабораторных тестов команда физиков-экспериментаторов поместила материал на горячую подложку и следила за постепенным повышением его температуры. Изначально всё шло как по учебнику: количество инфракрасного излучения (которое мы ощущаем как тепло) постепенно возрастало, а камера фиксировала изменения. При 60 градусах по Цельсию объект отображался в сине-зелёных тонах, при 70 градусах становился желтовато-красным, а при 75 и более — тёмно-красным.

А затем произошло нечто очень странное: тепловое изучение вдруг резко упало. При 80 градусах материал вновь "окрасился" в синий, а при 85 °C он стал казаться ещё холоднее прежнего. Этот эффект оказался волнообразным, то есть по мере фактического нагревания объекта он казался то горячее, то холоднее.

При повышении температуры диоксид ванадия превращался из изолятора в проводник и обратно, проявляя необычные оптические свойства (фото Mikhail Kats, Harvard SEAS).

Заведующий лабораторией, соавтор исследования и профессор прикладной физики Федерико Капассо (Federico Capasso) понял, что такой материал-обманщик может очень заинтересовать военных. Лишь при небольших корректировках в структуре на его основе можно создать отличный тепловой камуфляж для солдат.

За такой эффект отвечает тонкая плёнка из диоксида ванадия (он же оксид ванадия IV) — необычного материала, электронная структура которого значительно изменяется при нагревании до определённой температуры.

При комнатной температуре, к примеру, чистый диоксид ванадия не проводит ток, но при несколько более высоких температурах он переходит в металлическое, электропроводящее состояние. Во время этого перехода меняются и его оптические свойства, отсюда и обман инфракрасной камеры.

Способность диоксида ванадия менять "роли" с изолятора на проводник была открыта ещё в 1959 году. Но работать с этим материалом довольно сложно, потому он до сих пор и не получил широкого применения, которого заслуживает. Трудность заключается в том, что в объёмных кристаллах при переходе из одного состояния в другое могут образоваться трещины, и образец попросту рассыпается.

Но к счастью, один исследователь из той же Гарвардской школы инженерных и прикладных наук Шрирам Раманатан (Shriram Ramanathan), который выступил соавтором данной работы, разработал несколькими годами ранее тонкие плёнки из очень чистого диоксида ванадия, которые можно использовать как покрытие и не бояться, что они треснут.

"Благодаря этим прочным и очень тонким плёнкам из диоксида ванадия, которые предоставил нам профессор Раманатан, мы поняли, что, лишь немного изменив свойства материала, можно получить принципиально новые оптические эффекты", — говорит ведущий автор исследования Михаил Кац (Mikhail Kats).

Ванадий (на фото) — пластичный металл, который при соединением с кислородом превращается в крайне необычный материал (фото Alchemist-hp/Wikimedia Commons).

Физики по-разному легировали необычный материал, то есть добавляли в состав какие-либо другие элементы. В результате каждый раз появлялись новые удивительные, но вполне предсказуемые свойства.

При соединении диоксида ванадия, к примеру, с вольфрамом температура перехода от диэлектрика к проводнику снизилась почти до комнатной, а диапазон температур, при которых происходит странный оптический эффект, расширился.

Авторы исследования пишут в пресс-релизе, что если покрыть автомобиль плёнкой из диоксида ванадия, то он будет маскироваться под окружающую среду, словно хамелеон, будучи невидимым для инфракрасных камер.

При определённых модификациях материал может стать составной частью тайного маячка: автомобиль или камуфляж будут отображаться на тепловых камерах строго при определённых температурах.

Помимо применения в военном деле физики предлагают использовать диоксид ванадия для намеренного ускорения или замедления нагревания тех или иных объектов, от жилых домов до космических спутников.

Поясним, о каких модификациях идёт речь. Наиболее значительный вклад Гарвардской команды физиков в исследование диоксида ванадия заключается в открытии наноразмерных структур, которые возникают естественным образом во время перехода диоксида ванадия в состояние проводника и наоборот.

Эти структуры могут быть модифицированы и использованы для обеспечения нового уровня управляемости свойствами материала, к примеру, для подавления теплового излучения при повышении температуры. Таким образом прямо внутри плёнки из диоксида ванадия можно создать метаматериал — вещество с искусственно созданной периодической структурой.

"Искусственно создать нужную трёхмерную структуру внутри материла очень непросто. А в данном случае природа сделала нам подарок. Взяв естественный метаматериал и придав ему необходимые нам свойства, мы откроем целую новую область прикладной науки", — заключает Капассо.

О результатах исследования читайте в статье гарвардских физиков, опубликованной в журнале Physical Review X.

Также по теме:
Французы придумали шапку-невидимку для температуры
Новая "шапка-невидимка" впервые спрятала трёхмерный объект
Учёные представили новое маскирующее устройство
Математик придумал, как сделать здания невидимыми для землетрясений
Плащ-невидимка приобретает реальные очертания
Новый камуфляж защитит солдат от укусов комаров и взрывов бомб
Физики изучили ультратонкий материал, останавливающий пули на лету

Сегодня