Бабочки помогают увидеть тепловое излучение
 Инфракрасное изображение ученого с бабочкой в руках. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Существует много способов обнаружения тепла. Например, измерение электрического сопротивления при изменении температуры окружающей среды. Но, чтобы оставаться чувствительными к происходящему, эти датчики должны постоянно охлаждаться. Иначе они будут продолжать регистрировать присутствие источника тепла даже спустя некоторое время после его выключения. В результате, в наиболее чувствительных тепловизорах используется охлаждение при помощи жидкого гелия. Поскольку подобные системы охлаждения имеют относительно большие габариты и требуют определенной энергии для своей работы, они ограничивают минимальный размер и эффективность датчиков температуры. Требования к охлаждению представляет собой серьезную проблему для тех, кто создает портативные приборы, такие как очки-тепловизоры. К слову, подобные очки являются особым предметом разработки, т.к. идеальное устройство имело бы прозрачные для видимого света стекла. А этого крайне сложно достичь при условии постоянного охлаждения.
Теперь же совместная группа ученых из General Electric Global Research Centre и University of Albany (США) показали, что устройства с высокой чувствительностью к окружающему теплу могут быть созданы при помощи природных компонент. Ученых вдохновил пример крыльев бабочек Морфо. Известно, что окраска крыльев этих насекомых полностью объясняется оптическими свойствами их поверхности. Крылья покрыты чешуйками, которые отражают свет на определенных длинах волн и поглощают весь остальной спектр. Хотя этот процесс не до конца изучен, известно, что когда такое крыло нагревается, изменяется интенсивность отражения и излучения различных длин волн. В результате цвет крыла изменяется.
Группа ученых изучила этот эффект, чтобы выяснить, может ли подобный принцип использоваться для построения искусственных датчиков температуры. Такие датчики могли бы иметь значительное преимущество по сравнению с существующими техниками, т.к. крылья бабочек сформированы из хитина, природного полимера с более низкой теплоемкостью, чем металлы и полупроводники, используемые для создания термодатчиков сегодня. Это означает, что датчик, построенный таким методом, мог бы быстро охлаждаться самостоятельно, без применения дополнительного охлаждения.
Исследователи изучили инфракрасное поглощение крыльев Морфо. Они обнаружили, что при нагревании тепловое расширение заставляет чешуйки раздвигаться, таким образом, изменяется длина волн поглощения и отражения. Этот процесс сопровождается небольшим снижением показателя преломления хитина.
Основываясь на предыдущих работах других научных групп (согласно которым размещение на поверхности подложки углеродных нанотрубок повышает способность поглощать инфракрасное излучение), команда показала, что эффективность работы крыльев Морфо повышается, если поверхность модифицируется с помощью нанотрубок. Также, поскольку нанотрубки имеют высокую теплопроводность, модификация помогла ускорить процесс охлаждения.
Исследования пока еще находятся на ранней стадии. Ученым еще предстоит найти способы получения наноструктурированного хитина или аналогичных синтетических материалов, прежде чем создать первый лабораторный прототип датчика. Но сами исследователи считают, что их работа в будущем может привести к созданию дешевых датчиков теплового излучения, в которых различные длины волн инфракрасного излучения будут выглядеть как различные цвета.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.
Также по теме:
- Упругие углеродные нанотрубки позволяют делать датчики, похожие на кожу
- Нанотрубки в качестве химических датчиков
Источники: