Фотонні кристали замикають тепло на замок

Вакуум вважається найкращим ізолятором у Всесвіті, ідеально блокуючим теплообмін між фізичними тілами. Цьому сприяє повна відсутність атомів, здатних передавати енергію. Але фізики зі Стенфордського університету знайшли ще більш досконалий ізолятор - фотонні кристали. Термос з цього метаматериала не охолоне кілька років.

Існує три основних способи передачі тепла - кондукция (окремі атоми відриваються з поверхні нагрітого тіла і соударяются з атомами іншого об'єкта), провідність (кристалічна решітка при зіткненні з поверхнею передає їй свої коливання) і випромінювання. Для реалізації перших двох необхідна наявність матерії між джерелом тепла і нагрівається тілом, в якості якого може виступати газ, рідина або тверде тіло.

Саме гранично низька концентрація атомів в вакуумі робить його головним претендентом на роль утеплювача. Але, разом з тим, в такому середовищі не вирішена проблема випромінювання, при якому енергія передається інфрачервоними хвилями. Вакуум не блокує хвилі, і протікання через нього частини тепла неминуче.

Читайте також " Сніжинки допоможуть врятувати озоновий шар "

Ще в 2008 році вчені припустили, що непоганим кандидатом на блокування хвиль можуть послужити фотонні кристали. Цей метаматериал багато в чому схожий на напівпровідник, який здатний зраджувати ток певної напруги, але блокує інші заряди. Фотонні кристали подібним чином пропускають через себе тільки ті хвилі, енергія яких лежить в заданому діапазоні.

Шанхаю Фень і його колеги зі Стенфордського університету (США) спочатку продемонстрували можливість використання фотонних кристалів для теплоізоляції на комп'ютерній моделі, а на днях реалізували цю технологію в лабораторних умовах.

Американські фізики створили багатошарову структуру - десять шарів фотонних кристалів товщиною в один мікрометр кожен, розділені дев'ятьма вакуумними проміжками по дев'ять мікрометрів. Досліди показали, що вийшов "бутерброд" блокує теплопередачу в два рази ефективніше "чистого" вакууму. При цьому в ході експерименту використовувалися джерела тепла з різною частотою інфрачервоного випромінювання.

Аналіз отриманих в ході експерименту даних дав несподівані результати. Виявилося, що показник теплопровідності комбінованої ізоляції не залежить від товщини шару фотонних кристалів, а лише від швидкості проходження теплової хвилі через матеріал, тобто від індексу відображення.

Попередні дослідження метаматеріалів показали, що фотонні кристали можуть бути використані в якості оптичних провідників для ліній зв'язку і обчислювальних систем. Нове відкриття значно розширює сферу застосування цієї незвичайної структури. Наприклад, з її допомогою можна буде створювати поверхні для обігріву сонячним теплом, які блокують видиме світло, але пропускають інфрачервоні хвилі.

Фотонні кристали цікаві ще й тим, що є яскравим прикладом застосування принципів біоніки в сучасній науці. Вони з'явилися не в наукових лабораторіях, а були підглянуті людиною в природі - натуральні фотонні кристали присутні в тканинах крил африканських метеликів-вітрильників. З їх допомогою вони прогрівають свій організм, але уникають впливу ультрафіолетового випромінювання.

Читайте також в рубриці " Наука і техніка "