Des chercheurs ont conçu et construit le premier dispositif 3D capable de rendre des objets invisibles à la chaleur, une avancée qui pourrait transformer la manière dont nous protégeons les composants électroniques sensibles, gérons la chaleur dans les microprocesseurs et blindons les équipements contre la détection thermique.
La nouvelle cape thermique peut cacher des objets de presque toutes les formes aux caméras infrarouges tout en les protégeant des températures extrêmes. Contrairement aux conceptions précédentes, qui ne fonctionnaient qu’en deux dimensions ou depuis une seule direction, la cape fonctionne depuis pratiquement toutes les directions. Plutôt que de simplement bloquer la chaleur, la cape thermique guide la chaleur autour d’un objet de sorte qu’aux yeux d’une caméra infrarouge, il semble n’y avoir rien.
Shelly Zhang, professeure en génie civil et environnemental à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, le chercheur postdoctoral Weichen Li, et l’étudiant diplômé Yibo Wang ont collaboré avec le professeur Ole Sigmund de l’Université technique du Danemark sur l’étude, publiée dans la revue Nature Communications.
« Une véritable cape thermique doit fonctionner quelle que soit la provenance de la chaleur », a déclaré Zhang. « Notre dispositif peut cacher un objet 3D complexe dans un nombre infini de directions tout en maintenant la température interne stable et protégée. »
Les expériences passées n’ont fonctionné qu’en deux dimensions ou le long d’une seule direction du flux de chaleur, loin de l’idéal d’une véritable cape 3D. Pour résoudre ce problème, l’équipe est revenue à la théorie originale de la thermique de transformation et s’est demandé : « Quel type de structure matérielle pourrait couvrir presque toutes les propriétés thermiques nécessaires à une cape parfaite ? »
Leur réponse a été un nouveau type de matériau à base de treillis qui peut être librement ajusté dans trois directions. En ajustant ces dimensions, les chercheurs peuvent contrôler avec précision la conductivité thermique de différentes régions. Cette conception couvre une gamme de conductivités thermiques beaucoup plus large que les approches précédentes — suffisante pour correspondre étroitement aux exigences théoriques d’une cape idéale.
La cape thermique de l’équipe n’est pas seulement un modèle informatique — elle a été fabriquée et testée physiquement. Le dispositif est un matériau hybride, utilisant du métal imprimé en 3D pour créer un treillis d’aluminium précis qui agit comme un matériau à haute conductivité. Un moulage a été utilisé pour remplir la structure avec un matériau caoutchouteux à faible conductivité thermique.
En laboratoire, les chercheurs ont placé le dispositif entre des régions chaudes et froides pour créer un gradient de température. À l’aide d’une caméra infrarouge, ils ont suivi comment la chaleur circulait autour et à travers la cape. De l’extérieur, le champ de température semblait comme si un objet caché avec la cape n’était pas du tout présent. À l’intérieur de la région cachée, la température restait uniforme et protégée des extrêmes externes.
Pour défier davantage leur conception, l’équipe a caché des géométries 3D très complexes, y compris des formes détaillées ressemblant à des têtes. Ils rapportent qu’aucune cape thermique expérimentale précédente ne s’approche de ce niveau de complexité géométrique et de performance.
Les chercheurs envisagent des applications très variées pour cette technologie, allant de la gestion précise de la chaleur autour de composants électroniques sensibles à des applications de sécurité et de défense, comme aider à cacher des personnes ou des équipements de la détection thermique ou protéger des actifs dans des conditions difficiles.
« Tout domaine qui nécessite un contrôle précis de la chaleur ou qui a besoin de protéger quelque chose d’une détection thermique pourrait bénéficier de ce travail », a déclaré Zhang. « Mais nous le voyons aussi plus largement : il s’agit de cacher et de protéger les informations portées par la chaleur. »
À l’avenir, l’équipe prévoit d’explorer des capes intelligentes et multifonctionnelles. Par exemple, les chercheurs espèrent déterminer comment masquer un objet à l’intérieur de la cape qui génère sa propre chaleur. Cela nécessiterait une cape capable de concentrer, diffuser ou guider la chaleur à la demande à l’intérieur de la région protégée.
« Nous avons montré qu’une véritable cape thermique omnidirectionnelle 3D est possible », a déclaré Zhang. « La prochaine étape est de fabriquer des capes qui non seulement cachent et protègent, mais manipulent activement la chaleur de manière utile. »
Article : Free-form thermal cloaks in three dimensions – Journal : Nature Communications – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude
Source : Illinois UC
