Теплоизоляция на фотонных кристаллах

[admin]

"Физикам удалось теоретически обосновать работу фотонного термоса - аналога обычного термоса, в котором вместо вакуума для изоляции используются конструкция из так называемых фотонных кристаллов.

В рамках исследования ученые использовали тот факт, что у фотонных кристаллов (к подобным кристаллам относится, например, опал) для длин волн фотонов имеются так называемые запрещенные зоны. Если на поверхность такого материала падает фотон с запрещенной длиной волны, то он просто отражается от нее. В работе 2008 года эта же группа исследователей установила: конструкция из 10 слоев фотонных кристаллов толщиной около одного микрона, между которыми располагается вакуум, пропускает тепло в два раза хуже, чем просто вакуум.
Практическое применение подобных материалов для теплоизоляции, однако, не представлялось возможным, поскольку не существовало теории, описывающей свойства таких конструкций. Теперь физикам удалось восполнить этот пробел. В частности, они выяснили, что диапазон частот электромагнитного излучения, которое пробивается сквозь слои вакуума и кристаллов, не зависит от толщины слоев, а определяется коэффициентом преломления материала.

В обычном термосе вакуум между стенками препятствует теплообмену между содержимым сосуда и внешней средой. Однако вакуум не является препятствием для теплового излучения (электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне). Использование нового материала позволят заметно снизить потери от излучения внутри термоса.

Совсем недавно ученые из Калифорнийского технологического института заставили сплав металла перестать расширяться при нагревании. При этом механизм инварного поведения (слабо расширяющиеся сплавы называют инварными) оказался сугубо магнитным явлением, обусловленным структурой материала. "

[admin]

Более совершенный теплоизолятор - фотонные кристаллы

Вакуум считается самым лучшим изолятором во Вселенной, идеально блокирующим теплообмен между физическими телами. Этому способствует полное отсутствие атомов, способных передавать энергию. Но физики из Стэнфордского университета нашли еще более совершенный изолятор - фотонные кристаллы. Термос из этого метаматериала не остынет несколько лет.


Существует три основных способа передачи тепла - кондукция (отдельные атомы отрываются с поверхности нагретого тела и соударяются с атомами другого объекта), проводимость (кристаллическая решетка при соприкосновении с поверхностью передает ей свои колебания) и излучение. Для реализации первых двух необходимо наличие материи между источником тепла и нагреваемым телом, в качестве которого может выступать газ, жидкость или твердое тело.

Именно предельно низкая концентрация атомов в вакууме делает его главным претендентом на роль теплоизолятора. Но, вместе с тем, в такой среде не решена проблема излучения, при котором энергия передается инфракрасными волнами. Вакуум не блокирует волны, и протекание через него части тепла неизбежно.

Еще в 2008 году ученые предположили, что неплохим кандидатом на блокирование волн могут послужить фотонные кристаллы. Этот метаматериал во многом похож на полупроводник, который способен предавать ток определенного напряжения, но блокирует другие заряды. Фотонные кристаллы подобным образом пропускают через себя только те волны, энергия которых лежит в заданном диапазоне.

Шанху Фэнь и его коллеги из Стэнфордского университета (США) сначала продемонстрировали возможность использования фотонных кристаллов для теплоизоляции на компьютерной модели, а на днях реализовали эту технологию в лабораторных условиях.

Американские физики создали многослойную структуру - десять слоев фотонных кристаллов толщиной в один микрометр каждый, разделенные девятью вакуумными промежутками по девять микрометров. Опыты показали, что получившийся "бутерброд" блокирует теплопередачу в два раза эффективнее "чистого" вакуума. При этом в ходе эксперимента использовались источники тепла с разной частотой инфракрасного излучения.

Анализ полученных в ходе опыта данных дал неожиданные результаты. Оказалось, что показатель теплопроводимости комбинированной изоляции не зависит от толщины слоя фотонных кристаллов, а лишь от скорости прохождения тепловой волны через материал, то есть от индекса отражения

Предыдущие исследования метаматериалов показали, что фотонные кристаллы могут быть использованы в качестве оптических проводников для линий связи и вычислительных систем. Новое открытие значительно расширяет сферу применения этой необычной структуры. Например, с ее помощью можно будет создавать поверхности для обогрева солнечным теплом, которые блокируют видимый свет, но пропускают инфракрасные волны.



Фотонные кристаллы интересны еще и тем, что являются ярким примером применения принципов бионики в современной науке. Они появились не в научных лабораториях, а были подсмотрены человеком в природе - натуральные фотонные кристаллы присутствуют в тканях крыльев африканских бабочек-парусников. С их помощью они прогревают свой организм, но избегают воздействия ультрафиолетового излучения.

[Eugene]

Экранная изоляция из множества слоёв фольги в вакууме применяется давно и успешно.