两种“隐身术”

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:毛尖尖,题图来自:《星际迷航》

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你想隐身吗?


隐形装置一直以来都是科幻和虚构故事中非常受欢迎的元素,从《星际迷航》里罗慕伦人的隐形装置,到哈利·波特的隐形斗篷,隐形一直在我们想象的世界中占据了一个重要的位置。


两种“隐身术”

 《星际迷航》中罗慕伦人的隐形装置。| 图片来源:《星际迷航》via Fandom.com


近年来,科学家和工程师一直在探索如何将科幻变为现实。目前,最接近想象的一种“隐身”方法是借助超材料。一些超材料具有负折射率,能够使光线向相反的方向弯曲,甚至有能力构造出引导光波绕过物体周围的结构,因此从理论上来说,它们有潜力使物体看起来好像不存在一样。


两种“隐身术”

 超材料示意图。| 图片来源:原理


当然,目前的技术仍然很有局限性,比如大多数超材料只能局限于弯曲特定波长的光,而这些波长往往远超出可见光的范围。因此,想要达到“隐形斗篷”的效果还有很长一段距离。


虽然视觉上的隐形还很难达到,但我们还可以在别的方面让物体不被看见。举个例子,如果在流动的水中放上一颗小石子,有什么方法能让这颗石子不被发现吗?或者,在一台测量红外辐射的热相机的镜头里,怎么才能让物体“隐形”?


近日,两项新的科学研究在解决这些问题上迈出了一大步。


一组由应用数学家和物理学家组成的国际团队在《皇家学会学报A:数学、物理和工程科学》上发表论文,他们报道了一种理论方法,能够模拟物体的热特征,也可以让物体在热测量中变得不可见


而另一组科学家,则是通过向物体周围的流体中注入动量,让处于流体中的物体被“隐藏”起来,这种技术同样可以抵消作用在物体上的水动力,从而实现“隐形”和“防护”模式之间的任意切换



就像我们的眼睛能够看到发射或反射可见光的物体一样,热成像摄像机也能看到发射或反射红外辐射的物体。如果一个物体周围的热源可以模拟出物体不存在时的热传递状态,那么这个物体就不会被热成像摄像机看见。


研究团队采用的新方法是借助热泵而非特殊制作的材料来隐藏物体。热泵是一种可以传输热量的装置,事实上,我们每个人的家中都有热泵,那就是冰箱——为了冷却食物,这种家用热泵将热量从内部输送到外部。科学家表示,使用热泵比使用特殊制作的材料要灵活得多,它甚至可以在温度实时变化的情况下对热传递进行微调。


研究人员进行了必要的数学研究后证明,在一个物体周围有一圈热泵的情况下,就有可能在热学层面隐藏一个物体,或者模拟出另一个物体的热特征。换句话说,通过巧妙地安排热泵,它不仅可以使物体隐形,还能让一样东西从热测量的角度看起来像是另一个完全不同的东西,比如让一个苹果“看”起来像个橘子。


两种“隐身术”

  这幅示意图展示了借助围绕排列的帕尔贴元件(图中红蓝相间),能够将一个二维平面区域Ω中的风筝(图中黑色)在热测量中“隐形”。| 图片来源:Cassier,M. et al.


目前,这项研究仍停留在理论层面。然而,借助一种被称为帕尔贴元件的小型热泵,这种理论方法是现有的技术范围内能够实现的。帕尔贴元件能够利用电流通过金属连接点来传输热量,目前已经广泛应用在商品和工业领域。



在第二项研究中,科学家瞄准的是流体中的物体“隐形”。与视觉隐形和热成像隐形有些类似之处,流体动力隐形的原理就是掩盖物体对周围流体流动的影响。例如,具有特定结构的超材料可以使物体周围的流体发生偏转,从而改变流体与结构的相互作用。这是一种被动方法。


而新研究使用了一种不同的方法,研究人员没有利用被动结构,而是借助了被称为电渗(electroosmosis)的机制,它可以主动向流体中注入动量。


两种“隐身术”

 红色圆圈代表栅电极,研究利用电渗机制主动向流体中注入动量,从而使得物体(灰色)在流体中“隐形”。| 图片来源:Bacheva/Technion – Israel Institute of Technology; IBM Research Europe


该团队从理论上描述了在微尺度流动中针对一系列物体形状的方法,并在微流控室中进行了实验验证。这种技术可以让他们通过电场控制周围流体的动量,在“隐形”模式下,隐形区域外的流动就仿佛物体不存在一般


研究人员还可以切换到操纵物体周围的流体流动的模式,从而消除流体对物体施加的任何流体动力。他们称这种力的抵消为“防护”模式。这就好像罗慕伦人的装置一样,既能“隐形”,也能“防御”。


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研究人员可以在隐形模式(cloaking mode)和防护模式(shielding mode)之间任意切换,达到不同效果。| 图片来源:Bacheva/Technion – Israel Institute of Technology; IBM Research Europe



对这两项研究来说,研究人员相信它们拥有广阔的应用前景。


他们设想,对热控制的研究可以用来精确控制物体在空间和时间上的温度,例如它可以隔离电路中产生热量的部件(例如电源),防止其干扰热敏部件(比如热成像摄像机);也能够应用在需要精确控制温度的工业过程中,例如控制材料的冷却,使其以特定的方式结晶。


一些科学家认为,这一结果也可以应用于精确给药,因为热的传递和扩散的数学模型,与药物输送和扩散的模型非常相似。此外,它也有潜力拓展到视觉隐身,比如光在雾这样的漫射介质中的行为。


而控制流体的行为,则可以充当“镊子”,在流体中夹住细胞等柔软的物体。


参考来源:

https://attheu.utah.edu/facultystaff/thermal-cloak/

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2020.0941

https://physics.aps.org/articles/v14/s57


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