Viện Graphene Quốc gia của Đại học Manchester đã dẫn đầu một nhóm quốc tế nhằm thiết kế một phương pháp mới để kiểm soát sự phát xạ nhiệt, được trình bày chi tiết trong một bài báo đăng trên tạp chí Science. Bước đột phá này đưa ra các chiến lược thiết kế mới ngoài các vật liệu thông thường, với những ý nghĩa đầy hứa hẹn về công nghệ ngụy trang và quản lý nhiệt.
Nguồn: Khoa học (2024). DOI: 10.1126/science.ado0534
Nhóm nghiên cứu quốc tế, bao gồm Đại học Kỹ thuật bang Pennsylvania, Đại học Koc ở Thổ Nhĩ Kỳ và Đại học Công nghệ Vienna ở Áo, đã phát triển một giao diện độc đáo giúp định vị sự phát nhiệt từ hai bề mặt có đặc tính hình học khác nhau, tạo ra một bộ phát nhiệt “hoàn hảo”. Nền tảng này có thể phát ra ánh sáng nhiệt từ các khu vực phát xạ cụ thể, có độ phát xạ đơn vị.
Giáo sư Coskun Kocabas, giáo sư vật liệu thiết bị 2D tại Đại học Manchester, giải thích: "Chúng tôi đã trình diễn một loại thiết bị nhiệt mới sử dụng các khái niệm từ cấu trúc liên kết—một nhánh toán học nghiên cứu các tính chất của vật thể hình học—và từ quang tử phi Hermiti, mà là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ về ánh sáng và sự tương tác của nó với vật chất khi có sự mất mát, tăng quang học và những đối xứng nhất định."
Nhóm nghiên cứu cho biết công trình này có thể thúc đẩy các ứng dụng quang tử nhiệt để tạo ra, kiểm soát và phát hiện sự phát xạ nhiệt tốt hơn. Đồng tác giả, Giáo sư Sahin Ozdemir, giáo sư khoa học kỹ thuật và cơ khí tại bang Pennsylvania, cho biết một ứng dụng của công trình này có thể là trên các vệ tinh.
Đối mặt với sự tiếp xúc đáng kể với nhiệt và ánh sáng, các vệ tinh được trang bị giao diện có thể phát ra bức xạ hấp thụ với độ phát xạ đơn vị dọc theo một khu vực được chỉ định cụ thể được các nhà nghiên cứu thiết kế cực kỳ hẹp và ở bất kỳ hình dạng nào được coi là cần thiết.
Tuy nhiên, theo Ozdemir, để đi đến thời điểm này không hề dễ dàng. Ông giải thích một phần của vấn đề là tạo ra một bộ phát-hấp thụ nhiệt hoàn hảo chỉ ở bề mặt tiếp xúc trong khi phần còn lại của các cấu trúc tạo thành bề mặt tiếp xúc vẫn “lạnh”, nghĩa là không hấp thụ và không phát xạ.
Ozdemir cho biết: “Việc chế tạo một vật thể hấp thụ-phát hoàn hảo – một vật thể màu đen hấp thụ hoàn hảo mọi bức xạ tới – được chứng minh là một nhiệm vụ ghê gớm”.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng người ta có thể chế tạo người ta ở tần số mong muốn bằng cách nhốt ánh sáng bên trong một hộp quang, được tạo thành bởi gương thứ nhất phản xạ một phần và gương thứ hai phản xạ hoàn toàn: ánh sáng tới phản xạ một phần từ gương thứ nhất và ánh sáng phản xạ một phần từ gương thứ nhất. chỉ bị phản xạ sau khi bị mắc kẹt giữa hai gương triệt tiêu lẫn nhau. Do đó, sự phản xạ bị triệt tiêu hoàn toàn, chùm ánh sáng bị giữ lại trong hệ thống, bị hấp thụ hoàn toàn và phát ra dưới dạng bức xạ nhiệt.
Để đạt được giao diện như vậy, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hộp cộng hưởng được xếp chồng lên nhau với một lớp vàng dày phản chiếu hoàn hảo ánh sáng tới và một lớp bạch kim mỏng có thể phản xạ một phần ánh sáng tới. Lớp bạch kim cũng hoạt động như một bộ phát-hấp thụ nhiệt băng thông rộng. Giữa hai gương là một chất điện môi trong suốt gọi là parylene-C.
Các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh độ dày của lớp bạch kim khi cần thiết để tạo ra điều kiện ghép tới hạn trong đó ánh sáng tới bị giữ lại trong hệ thống và được hấp thụ hoàn hảo hoặc để di chuyển hệ thống ra khỏi khớp nối quan trọng sang khớp nối phụ hoặc siêu tới hạn trong đó sự hấp thụ và phát xạ hoàn hảo không thể diễn ra.
"Chỉ bằng cách ghép hai lớp bạch kim có độ dày nhỏ hơn và lớn hơn độ dày tới hạn trên cùng một lớp điện môi, chúng tôi tạo ra một giao diện tôpô của hai khoang trong đó giới hạn sự hấp thụ và phát xạ hoàn hảo. Điều quan trọng ở đây là các khoang tạo thành giao diện không bằng nhau." điều kiện ghép quan trọng", tác giả đầu tiên M. Said Ergoktas, cộng tác viên nghiên cứu tại Đại học Manchester cho biết
Theo đồng tác giả Stefan Rotter, giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Công nghệ Vienna, sự phát triển thách thức sự hiểu biết thông thường về phát xạ nhiệt trong lĩnh vực này: “Theo truyền thống, người ta tin rằng bức xạ nhiệt không thể có các đặc tính tôpô vì bản chất không mạch lạc của nó. ."
Theo Kocabas, cách tiếp cận của họ nhằm xây dựng các hệ thống tôpô để kiểm soát bức xạ có thể dễ dàng tiếp cận được đối với các nhà khoa học và kỹ sư.
“Điều này có thể đơn giản như việc tạo ra một màng được chia thành hai vùng với độ dày khác nhau sao cho một bên thỏa mãn khớp nối dưới tới hạn, còn bên kia ở chế độ khớp nối siêu tới hạn, chia hệ thống thành hai lớp tôpô khác nhau”, Kocabas nói.
Theo đồng tác giả Ali Kecebas, một học giả sau tiến sĩ tại bang Pennsylvania, giao diện được hiện thực hóa thể hiện khả năng phát nhiệt hoàn hảo, được bảo vệ bởi cấu trúc liên kết phản xạ và “thể hiện sự mạnh mẽ trước những nhiễu loạn và khiếm khuyết cục bộ”.
Nhóm nghiên cứu đã xác nhận các đặc điểm cấu trúc liên kết của hệ thống và mối liên hệ của nó với vật lý phi Hermiti nổi tiếng cũng như sự suy biến quang phổ của nó được gọi là các điểm đặc biệt thông qua mô phỏng thực nghiệm và số.
"Đây chỉ là một cái nhìn thoáng qua về những gì người ta có thể làm trong miền nhiệt bằng cách sử dụng cấu trúc liên kết không kín. Một điều cần khám phá thêm là quan sát hai chế độ truyền ngược chiều tại giao diện mà lý thuyết và mô phỏng số của chúng tôi dự đoán," Kocabas nói.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
