Фотонные кристаллы запирают тепло на замок

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.