اختراعی که قوانین فیزیک را دور می‌زند: گرم باش، سرد باش اما دیده نشو

پژوهشگران با الهام از پدیده‌های جوی مانند ابرهای سفید کومولوس، سامانه‌های طوفانی خاکستری و ساختار موی خرس قطبی، موفق به توسعه متاسطحی در مقیاس نانو شده‌اند که همچون یک ابر می‌تواند رنگ، دما و قابلیت دیده‌شدن در تصویربرداری حرارتی را به‌طور هم‌زمان تنظیم کند.

کد خبر: ۸۱۷۸۴۶

تاریخ: ۱۸ تير ۱۴۰۴ - ۰۹:۲۲

به گزارش روز چهارشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این سطح هوشمند قابلیت سوئیچ دینامیک میان حالت‌های سفید (برای سرمایش تابشی) و خاکستری (برای گرمایش کارا) را دارد، بدون آن‌که در هیچ‌کدام از این حالات، توسط حسگرهای فروسرخ قابل شناسایی باشد.

این نوآوری در راستای تلاش‌های جهانی برای توسعه سامانه‌های غیر فعال و کم‌مصرف برای مدیریت حرارتی در ساختمان‌ها، پوشیدنی‌ها، حسگرها و کاربردهای دفاعی قرار دارد و در حوزه‌هایی همچون سرمایش تابشی، پوشش‌های تطبیق‌پذیر و استتار حرارتی، جایگاهی منحصربه‌فرد پیدا می‌کند.

این متاسطح همانند دگرگونی ابرهای روشن به ابرهای طوفانی، با بهره‌گیری از اصولی چون پراکندگی چندگانه، جذب نور و بازتاب پلاریزونیکی، می‌تواند رفتار نوری و گرمایی خود را تنظیم کند. در حالت سفید، سطح با پراکندگی قوی نور خورشید، امکان سرمایش تابشی مؤثر را فراهم می‌کند، در حالی که در حالت خاکستری، جذب نور خورشید افزایش می‌یابد و کارایی گرمایشی بالا حاصل می‌شود.

در هر دو حالت، سطح مورد نظر دارای گسیلندگی بسیار پایین در ناحیه فروسرخ میانی (۸ تا ۱۳ میکرون) است؛ ویژگی‌ که باعث می‌شود سطح در برابر دوربین‌های حرارتی «نامرئی» باقی بماند. چنین ترکیبی از عملکرد سرمایشی یا گرمایشی همراه با استتار حرارتی، تاکنون در هیچ پوشش یا سطحی دیده نشده است.

پروفسور مادی البهری از دانشگاه آلتو (Aalto University) در این رابطه گفت: «ما در واقع بر روی هر سطح، یک ابر نانویی مهندسی کرده‌ایم؛ ابری که می‌تواند همانند نمونه طبیعی‌اش، میان سفید و خاکستری جابه‌جا شود، دمای خود را تنظیم کند و در عین حال از دید حسگرهای گرمایی پنهان بماند.»

رنگ‌های سفید معمولی مانند TiO₂ با پراکندگی نور خورشید عمل می‌کنند، اما در برابر تصویربرداری فروسرخ بسیار درخشان دیده می‌شوند. در مقابل، سطح سفید طراحی‌شده در این پژوهش با استفاده از نانوساختارهای فلزی نامنظم، ضمن پراکندگی نور خورشید، گسیل حرارتی بسیار کمی دارد و در نتیجه، هم سطح را خنک می‌کند و هم آن را از دید حسگرهای حرارتی پنهان نگه می‌دارد.

عادل اسعد، دانشجوی دکتری در این گروه، می‌گوید: «این متاسطح پلاسمونیک سفید، سطح را در برابر آفتاب خنک می‌کند، اما بدون آن‌که در دوربین‌های حرارتی بدرخشد؛ این ویژگی، آن را به یک نوآوری تحول‌آفرین تبدیل کرده است.»

در سوی دیگر، رنگ‌های تیره و سیاه معمولاً گرما را جذب می‌کنند اما سیگنال فروسرخ بالایی دارند و به‌راحتی در حسگرهای حرارتی دیده می‌شوند. متاسطح خاکستری جدید در این پژوهش، گرمای بیشتری جذب می‌کند ولی سیگنالی در فروسرخ نمی‌فرستد؛ ویژگی‌ که می‌تواند در لباس‌های هوشمند، مصالح ساختمانی و کاربردهای استتار نظامی بسیار ارزشمند باشد.

موهب عبدالعزیز، پژوهشگر پسادکتری در این پروژه، می‌افزاید: «این سطح خاکستری داغ‌تر از مشکی می‌شود، اما همچنان برای دوربین‌های گرمایی نامرئی باقی می‌ماند؛ چنین چیزی می‌تواند قواعد بازی را در فناوری‌های گرمایی تغییر دهد.»

پژوهشگران این فناوری را آغاز راهی برای توسعه سطوح تطبیق‌پذیر در معماری، نساجی و صنایع دفاعی می‌دانند. از نمای بیرونی ساختمان‌هایی که بدون انرژی خارجی میان گرمایش و سرمایش تغییر می‌کنند، تا پوشیدنی‌هایی که بدون نیاز به الکترونیک دمای بدن را تنظیم می‌کنند، این فناوری چشم‌انداز گسترده‌ای دارد. افزون‌ بر این، سطوح کم‌قابل‌دید و سنسورهای پنهان در صنایع دفاعی نیز از مزایای این فناوری بهره‌مند خواهند شد.

گام بعدی این پژوهش، توسعه پوشش‌هایی با قابلیت سوئیچ فعال و آنی، با استفاده از لایه‌های الکتروکرومیک یا فازتغییردهنده است.

در پایان، پژوهشگران با اشاره به دشواری‌های آغاز پروژه، از تحقق این دستاورد علمی با وجود عدم تأمین مالی اولیه سخن می‌گویند. پروفسور البهری می‌گوید: «با وجود رد شدن اولیه پروژه و نبود بودجه، ما با همکاری و چشم‌انداز مشترک ــ به‌ویژه با شرکای آلمانی ــ موفق شدیم تردیدها را به کشف تبدیل کنیم. این پروژه نشان داد که علم، درست مانند ابرها، می‌تواند از دل محدودیت‌ها اوج بگیرد.»