Исследователи создали тепловой плащ, который направляет тепло в обход спрятанного внутри предмета и почти не меняет температурную картину снаружи. В физическом эксперименте конструкция скрыла область в форме яблока внутри оболочки в форме груши, причем маскировка работала при нагреве с разных направлений.
Принцип легко представить на потоке воды. Если поставить на пути препятствие, поток отклонится и выдаст его положение. С теплом происходит похожая вещь: предмет с другой теплопроводностью искривляет распределение температуры вокруг себя. Новый плащ перенаправляет тепло вокруг внутренней области, а за ней снова сводит поток почти к исходной картине.
Для этого исследователи собрали оболочку из пространственной решетки, направление и толщина элементов которой меняются от участка к участку. Благодаря геометрии разные части конструкции проводят тепло с разной скоростью и в разных направлениях. По сути, инженеры получили метаматериал, свойства которого задает прежде всего внутренняя структура, а не один необычный химический состав.
Раньше создать полноценный трехмерный тепловой плащ произвольной формы мешала именно сложность внутренней структуры. Расчеты требуют, чтобы теплопроводность менялась сразу по нескольким направлениям и по всему объему. Если просто разбить пространство на множество разных микроструктур, конструкция быстро становится слишком сложной для расчета и изготовления.
Авторы упростили задачу до трех групп пересекающихся элементов. Металлические перемычки проводят тепло хорошо, окружающий их полимер намного хуже. Меняя толщину и ориентацию перемычек, исследователи смогли воспроизвести нужное распределение теплопроводности, не превращая внутренность плаща в практически не изготавливаемый лабиринт.
В расчетной модели яблоко без оболочки заметно искривляло температурное поле. После добавления плаща линии одинаковой температуры снаружи снова становились почти прямыми. Авторы оценивали качество маскировки по относительному отклонению температуры: ноль означал идеальный результат, а единица соответствовала незамаскированному объекту. Для двух направлений нагрева показатель составил 0,037 и 0,079.
Затем исследователи изготовили настоящий образец. Решетку напечатали из алюминиевого сплава с минимальной толщиной элементов 0,5 мм, промежутки заполнили полидиметилсилоксаном, а всю конструкцию поместили в теплопроводящую среду. Испытания подтвердили расчеты: с обеих сторон образца температурное поле оставалось близким к тому, которое возникло бы в однородном материале без спрятанного предмета.
Метод справился и с более сложной геометрией. Исследователи рассчитали плащи для нескольких неправильных объемных форм, а самый трудный вариант построили по очертаниям человеческого лица. Сложную поверхность описали с помощью сферических гармоник, математического способа разложить форму на набор более простых составляющих. Здесь авторы напечатали пластиковую модель решетки, но тепловую маскировку проверили только компьютерным моделированием.
Разработка пока не превращает человека или технику в невидимку для обычного тепловизора. Эксперименты проверяли, как оболочка управляет теплопроводностью внутри материала, когда тепло проходит через непосредственный контакт. Инфракрасная камера на расстоянии регистрирует собственное тепловое излучение поверхности, поэтому для полноценной маскировки от нее пришлось бы решать дополнительные задачи.
Авторы считают, что тот же способ проектирования пригодится для других устройств, которым нужно направлять тепло внутри сложных трехмерных конструкций. Математический подход можно перенести и на процессы с похожими уравнениями, например электрическую проводимость или движение жидкости под давлением. Пока такие варианты остаются расчетной перспективой и в работе экспериментально не проверялись.