Στα περισσότερα υλικά, ο τρόπος με τον οποίο απορροφάται η θερμότητα και ο τρόπος που απελευθερώνεται είναι αδιαχώριστοι. Εάν μια επιφάνεια απορροφά αποτελεσματικά θερμότητα από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση ή μήκος κύματος, εκπέμπει θερμότητα με τον ίδιο τρόπο. Αυτή η από καιρό καθιερωμένη αρχή, γνωστή ως αμοιβαιότητα, καθιστά δύσκολο για τους επιστήμονες να ελέγχουν ανεξάρτητα τον τρόπο με τον οποίο η θερμική ενέργεια εισέρχεται και εξέρχεται από ένα υλικό.
Ωστόσο, εάν αυτές οι δύο διαδικασίες μπορούν να διαχωριστούν, οι μηχανικοί μπορούν να κατευθύνουν τη θερμότητα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ένα υλικό μπορεί να απορροφήσει θερμική ενέργεια προς μία κατεύθυνση ενώ την απελευθερώνει προς άλλη κατεύθυνση, βελτιώνοντας δυνητικά τη θερμική διαχείριση, τη μετατροπή ενέργειας, την ανίχνευση υπέρυθρων και τις τεχνολογίες θερμικής επικοινωνίας.
Ένα υλικό που μπορεί να ελέγξει τη θερμότητα
Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Koichi Okamoto και τον Dr. Shunsuke Murai της Μεταπτυχιακής Σχολής Μηχανικών του Μητροπολιτικού Πανεπιστημίου της Οσάκα ανέπτυξε έναν νέο τύπο συσκευής χρησιμοποιώντας μαγνητοοπτικά υλικά. Αυτά τα υλικά αλλάζουν τον τρόπο που αλληλεπιδρούν με το φως όταν εκτίθενται σε μαγνητικό πεδίο, αλλάζοντας έτσι τη θερμική τους συμπεριφορά.
Οι ερευνητές συνδύασαν ένα μαγνητο-οπτικό στοιχείο με ένα στοιχείο αλλαγής φάσης γνωστό ως GST. Η συσκευή που προκύπτει μπορεί να ελέγξει την κατεύθυνση στην οποία εκπέμπεται η θερμότητα, να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει αυτήν τη συμπεριφορά και να διατηρήσει τη διαμόρφωσή της ακόμη και μετά την απενεργοποίηση της τροφοδοσίας. Στην πραγματικότητα, αυτό επιτρέπει τον προγραμματισμό της θερμότητας με τρόπο παρόμοιο με τον τρόπο αποθήκευσης και ελέγχου των δεδομένων μέσα σε ένα τσιπ υπολογιστή.
«Αντιμετωπίσαμε τη θερμική ακτινοβολία με «έξυπνο» τρόπο», εξήγησε ο Δρ Μουράι. «Η επίτευξη αυτών των δυνατοτήτων σε ένα λειτουργικό μοντέλο θα μπορούσε να επιτρέψει μια νέα γενιά αποτελεσματικών εκπομπών υπέρυθρων, συσκευών θερμικής ενέργειας, αισθητήρων και τεχνολογιών φωτονικής μνήμης».
Καλύτερη απόδοση από τα προηγούμενα σχέδια
Η ομάδα διαπίστωσε ότι η συσκευή ανταποκρίθηκε διαφορετικά ανάλογα με την κατεύθυνση από την οποία ερχόταν το φως, ακόμη και όταν το φως ήταν σχεδόν ευθύ. Οι προηγούμενες τεχνολογίες απαιτούσαν συνήθως το φως για να χτυπήσει το υλικό σε πολύ απότομη γωνία για να επιτευχθεί ένα παρόμοιο αποτέλεσμα, μειώνοντας τόσο την απορρόφηση όσο και την απόδοση της ακτινοβολίας σε σύγκριση με την κανονική συχνότητα εμφάνισης.
Ο νέος σχεδιασμός αντιμετώπισε επίσης άλλες ελλείψεις του προηγούμενου συστήματος. Οι προηγούμενες συσκευές παρήγαγαν ασυνεπή εναλλαγή μεταξύ των καταστάσεων “on” και “off” και έχασαν την αποθηκευμένη τους διαμόρφωση μετά την απομάκρυνση του ρεύματος. Αντίθετα, το νέο εξάρτημα μπορεί να αλλάξει αξιόπιστα κατάσταση ενώ διατηρεί τη μνήμη του, καθιστώντας το πιο πρακτικό για μελλοντικές εφαρμογές.
Προς προγραμματιζόμενες θερμικές συσκευές
Οι ερευνητές βλέπουν την τεχνολογία ως ένα σημαντικό βήμα προς τις συσκευές που διαχειρίζονται τη θερμότητα με το ίδιο επίπεδο ακρίβειας που χρησιμοποιούν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα για τον έλεγχο της ηλεκτρικής ενέργειας.
«Ο απώτερος στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε συμπαγείς συσκευές που μπορούν να ελέγχουν ενεργά την ακτινοβολία θερμότητας, όπως τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχουν τη ροή του ηλεκτρισμού», είπε ο καθηγητής Okamoto. «Τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πιο έξυπνους αισθητήρες υπερύθρων, πιο αποτελεσματικά ενεργειακά συστήματα και νέους τύπους φωτονικής μνήμης που αποθηκεύουν πληροφορίες χρησιμοποιώντας φως και θερμότητα αντί για ηλεκτρικά φορτία».
