چرا کنترل گرما تا این حد دشوار است
مهندسان با استفاده از مواد خاصی میتوانند جریان پایدار گرما را هدایت کنند؛ این حوزه علمی به «ترموتیک» معروف است. شاخه پیشرفتهتر آن، «ترموتیک تبدیلی»، از ابزارهای ریاضی فیزیک بهره میگیرد تا نحوه انتشار گرما در فضا را بازسازی کند. در این روش، به جای تغییر شکل جسم، مسیرهای حرکت گرما در اطراف آن بازطراحی میشوند. در صورت اجرای صحیح، الگوی دمایی بیرون یک پوسته میتواند مشابه یک جسم مجازی کاملا متفاوت از نظر اندازه یا شکل باشد.
خبر پیشنهادی: چرا رسیدن به دمای صفر مطلق غیرممکن است؟
اما چالش اصلی زمانی رخ میدهد که پژوهشگران بخواهند این ایده را به حد نهایت برسانند. برای اینکه یک جسم کوچک همانند یک جسم بزرگتر عمل کند، محاسبات ریاضی نیازمند آن است که بخشی از پوسته اطراف دارای هدایت حرارتی منفی باشد. این یعنی یک ماده باید قادر باشد گرما را بدون انرژی خارجی از مناطق سرد به مناطق گرم منتقل کند؛ اما قانون بنیادی ترمودینامیک میگوید که گرما همیشه از ناحیه گرم به سرد جریان مییابد. همین محدودیت، سالها مانع از تحقق عملی فراپراکندگی حرارتی شده است.
استفاده از سه مرز برای بزرگنمایی اثر حرارتی اشیا
مطالعه جدید از ایده پوسته کاملا غیرفعال دست کشیده و به جای آن از سطح فراماده حرارتی فعال بهره برده است؛ مرزی که با عناصر قابل کنترل گرمایش و سرمایش پوشیده شده است. در این سناریوی ایدئال، یک جسم بزرگ با هدایت حرارتی κₐ در مادهای با هدایت κ_b قرار دارد و میدان دمای اطراف را به شدت تغییر میدهد. سپس یک جسم کوچکتر طراحی شد، در یک پوسته قرار گرفت و با یک تبدیل مختصات ریاضی، جریان حرارت بیرون مرز انتخابی با حالت بزرگتر هماهنگ شد.
حتما بخوانید: فناوری الهامگرفته از مارها، دید حرارتی 4K را به دوربین میآورد
برای مطالعه بیشتر: با هدست Utrack، تصویربرداری حرارتی پیشرفته در واقعیت افزوده را تجربه کنید
سه مرز در این مدل درگیرند: مرز داخلی جسم ρ₁(θ)، مرز پوسته ρ₂(θ) و مرز «مجازی» بیرونی ρ₃(θ) که اندازه ظاهری جسم بزرگ را نشان میدهد. رابطه ساده آنها چنین است: ρ₁ρ₃ = ρ₂². معادلات نشان میدهند که پوسته باید هدایت حرارتی را در جهات مختلف و نقاط متفاوت تغییر دهد و منطقه مسئول فراپراکندگی موثر به هدایت حرارتی منفی نیاز دارد. محققان به جای ساختن پوسته غیرممکن، از یک پوسته با هدایت مثبت استفاده و مرزی فعال ایجاد کردند. در این مرز، الگوی جریان حرارت دقیقا اعمال شد تا همان عملکرد هدایت منفی ایجاد شود. از نظر ریاضی، منبع حرارتی مرزی qₛ با جریان حرارت عادی qₙ رابطه دارد: qₛ = −2qₙ. این عناصر با مصرف برق عمل میکنند و قوانین ترمودینامیک را نقض نمیکنند؛ یعنی مانند پمپهای حرارتی کوچک و توزیعشده عمل میکنند و به جای ماده غیرفعال، کنترل دقیق حرارت را ممکن میسازند.
از معادلات تا تحقق عملی فراپراکندگی حرارتی
محققان برای اثبات ایده در عمل، روی یک هندسه دایرهای ساده و یک حالت فوقعایق تمرکز کردند، جایی که جسم مجازی به طور کامل جریان حرارت را مسدود میکند. ورق مسی به عنوان ماده زمینه انتخاب شد و انتهای آن با حمام آب در دمای 320 و 287 کلوین ثابت گردید تا یک شیب دمایی پایدار ایجاد شود. در مرکز، یک دیسک کوچک عایق به شعاع 10 میلیمتر قرار داشت. حلقهای متشکل از 10 ماژول ترموالکتریک در شعاع 30 میلیمتر اطراف دیسک نصب شد؛ این ماژولها بسته به جهت جریان برق میتوانند گرما تولید یا جذب کنند و گزینهای ایدئال برای کنترل فعال هستند.
هر ماژول 36 درجه از حلقه را پوشش میداد و مرز پیوسته نظری را تقریبا شبیهسازی میکرد. پس از پایدار شدن سیستم به مدت 30 ثانیه، دمای سطح با دوربین مادون قرمز اندازهگیری شد. چهار حالت برای مقایسه مورد بررسی قرار گرفت، که شامل ورق مس یکدست، منطقه کوچک عایق، منطقه بزرگ عایق با شعاع 90 میلیمتر و منطقه کوچک عایق همراه با حلقه فعال بودند.
نتایج بسیار چشمگیر بودند. با اعمال الگوی جریان حرارت محاسبهشده روی حلقه، میدان دمای اندازهگیریشده تقریبا با میدان دمای منطقه بزرگتر مطابقت داشت. نویسندگان مطالعه گفتند: «اعتبارسنجی تجربی نشان میدهد که فراپراکندکننده ساختهشده، امضای حرارتی منطقه کوچک دایرهای عایق را ۹ برابر تقویت کرده است و بهطور موثر امضای حرارتی یک منطقه با شعاع ۹ برابر را شبیهسازی میکند.» شبیهسازیهای کامپیوتری این نتایج را تایید کردند و نشان دادند که همین روش برای اشکال غیردایرهای نیز قابل اعمال است، مشروط بر آنکه کنترل مرزی مطابق قوانین تبدیل صورت گیرد.
رویکردی عملی برای بزرگنمایی اثر حرارتی اشیا
این تحقیق مرزهای ممکن در کنترل حرارت پایدار را جابهجا کرده است. پژوهشگران با جایگزینی مواد غیرممکن با ابرسطوح حرارتی فعال، مسیر عملی برای ایجاد فراپراکندگی حرارتی و توهمات حرارتی فراهم کردهاند. به صورت کاربردی، این رویکرد میتواند امضاهای حرارتی را برای استتار مادون قرمز بازطراحی کند، مدیریت حرارت را در الکترونیک فشرده بهبود بخشد، یا جریان حرارت را در سیستمهای بازیابی انرژی هدایت کند. گام بعدی تیم پژوهشی، ارتقای کارایی، بررسی هندسههای پیچیدهتر و توسعه این مفهوم در سناریوهای حرارتی گستردهتر است.
این مطالعه در مجله Advanced Science به چاپ رسیده است.
