Активный камуфляж: теперь и для инфракрасных камер. Физика.

Федерико Капассо (Federico Capasso) с коллегами из Гарвардской школы инжиниринга и прикладных наук (США) поместил маскируемое специальным покрытием устройство на нагревательную плиту,

 после чего наблюдал за ростом температуры объекта при помощи инфракрасной камеры.

По мере роста температуры с 60 до 74 °C всё шло как обычно, то есть, нагреваясь, тело выглядело для камеры всё более и более красным. Однако после 74 °C интенсивность наблюдаемого нагрева стала снижаться и на 80 °C упала ниже, чем была при 60 °C. Ну а при 85 °C тело стало казаться даже более холодным. Процесс был полностью обратимым и неограниченно повторяющимся.

Схема экспериментальной установки (здесь и ниже иллюстрации Federico Capasso et al.).

Что за покрытие обеспечило столь странные результаты? Использовалась очень тонкая плёнка оксида ванадия — материала, который резко меняет свои свойства при нагреве. При комнатной температуре чистый оксид ванадия диэлектрик, чуть горячее — и он превращается в металл, хорошо проводящий электричество. Разумеется, при таком переходе оптические свойства материала тоже меняются, и это намекает на возможность его применения в качестве элемента для метаматериалов.

Переход оксида ванадия от диэлектрического состояния к проводящему был открыт 54 года назад, но практические итоги работы с материалом долгое время не впечатляли. Причина? В кристаллах стресс от перехода из одного состояния в другое создавал поверхностную трещину, что делало сколько-нибудь крупные предметы из него непрактичными. Недавние успехи в синтезе материала позволили создать особо чистые образцы тонкоплёночного оксида ванадия, который, похоже, наконец-то позволит активно использовать его неординарные свойства. «Благодаря этим стабильным образцам... мы теперь знаем, что лёгкие изменения, вносимые в материал, способны резко менять наблюдаемые оптические феномены, — рассказывает ведущий автор работы Михаил Кац (Mikhail Kats). — Внося искусственные включения или дефекты при контролируемом процессе допирования, модифицирования или деформации материала, можно получать широкий спектр интересных, важных его разновидностей с заранее программируемым поведением».

Так, допирование оксида ванадия вольфрамом привело к снижению температуры перехода «диэлектрик — металл» (менялись и оптические свойства, помните?), а спектр температур, при которых наблюдаются упомянутые необычные эффекты, значительно расширился.

Достигнув 74 °C, поверхность из оксида ванадия стала показывать ИК-камере снижение нагрева, хотя на самом деле её температура росла.

Исследователи уверены, что на этом базисе в обозримые сроки можно создать покрытие для транспортных средств, которое позволит им... мимикрировать, подобно хамелеону, подстраиваясь под температуру окружающей среды с минимальной корректировкой реальной температуры поверхности. Это куда практичнее, нежели нынешние методы теплового камуфляжа, часто использующие реальный подогрев и охлаждение транспортного средства (что к тому же невозможно, если вы движетесь). 

Другим потенциальным применением может стать скрытый от посторонних глаз инфракрасный маяк. С помощью метаматериалов на оксиде ванадия можно создавать управляемо меняющиеся сигналы, видимые ИК-камере и незаметные в оптическом диапазоне.

Наконец, поскольку тепловое излучение уносит тепло, регулировка его потери поверхностями с такими метаматериалами позволит поддерживать заданную температуру для тех или иных объектов, среди которых может быть как наземная техника, так и космические спутники.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review X (доступен полный текст).