Трое инженеров из Техасского университета в Далласе (США) испытали простое устройство на основе нанотрубок, наглядно демонстрирующее эффект фототермического отклонения (ФТО).
Явление ФТО наблюдается в тех случаях, когда в среде создаётся достаточно резкий градиент температуры, который в свою очередь формирует градиент показателя преломления. Соответствующий этому оптический эффект порождает миражи: известно, к примеру, что сильно нагретая асфальтированная дорога, рассматриваемая с некоторого расстояния, часто кажется мокрой. На самом деле человек, «обманутый» искривлённой траекторией хода лучей света в воздухе, вместо дороги видит изображение неба над ней, интерпретируя это как отражение неба в несуществующей воде.
Возможные варианты практического использования ФТО были рассмотрены в конце ХХ века. Как оказалось, методика, построенная на регистрации градиента показателя преломления, хорошо подходит для измерения температуропроводности. Очевидно, что наблюдения ФТО также позволяют охарактеризовать зависимость показателя преломления самых разных жидкостей и газов от температуры.
Подготовленный для экспериментов лист размером 2,5×5 см2 с двумя медными электродами по краям (иллюстрация из журнала Nanotechnology).
Американцы попытались модернизировать известные экспериментальные методики, введя в обращение новый тип источника тепла — тонкие прозрачные листы, изготовленные из многослойных углеродных нанотрубок. Теоретики предсказывали, что такие листы должны прекрасно проявлять себя при создании градиента температуры: они имеют огромную площадь поверхности, контактирующей со средой, высокую удельную тепло- и электропроводность и низкую плотность. Всё это способствует быстрой передаче тепла жидкостям или газам, задействованным в эксперименте.
Чтобы регистрировать ФТО, авторы направляли луч гелий-неонового лазера параллельно поверхности листа из нанотрубок, к которому были подведены электроды. При подаче синусоидального напряжения температура листа увеличивалась, прилегающие к нему слои жидкости или газа нагревались, и луч лазера, встречавший на своём пути температурный градиент, отклонялся на определённый угол, значение которого и интересовало экспериментаторов.
Выполнив серии измерений на воздухе, в газах (аргоне и гелии) и жидкостях (метаноле, этаноле, тетрахлорметане, хлорбензоле и йодистом метилене), учёные убедились в том, что оригинальный нагреватель надёжен, легко управляется, работает в широком диапазоне температур и формирует крутой градиент показателя преломления.
Схема маскировки объектов, основанная на эффекте ФТО. На фотографии слева нагреватель выключен, и надпись <i>invisibility cloaks</i> хорошо видна; когда на электроды подают напряжение, надпись «пропадает». (Иллюстрация из журнала Nanotechnology.)
Схема маскировки объектов, основанная на эффекте ФТО. На фотографии слева нагреватель выключен, и надпись invisibility cloaks хорошо видна; когда на электроды подают напряжение, надпись «пропадает». (Иллюстрация из журнала Nanotechnology.)
На заключительном этапе исследования американцы реализовали «искусственный» мираж по схеме, показанной выше. Здесь нагреватель — маскирующее устройство — полностью закрывает некий объект, который необходимо замаскировать, и при подаче напряжения удалённый наблюдатель теряет всякую возможность увидеть спрятанный предмет. Поскольку листы из нанотрубок прозрачны, в своём ненагретом состоянии они не загораживают обзора.
Прекрасную возможность оценить работу этой схемы даёт размещённое ниже видео. Лист из нанотрубок авторы поместили в воду, а роль скрываемого объекта исполнила надпись invisibility cloaks.
По материалам: Института физики.