العلماء يصنعون أول عباءة ثلاثية الأبعاد تجعل الأشياء غير مرئية للحرارة

يمكن لمادة ثلاثية الأبعاد جديدة توجيه الحرارة حول الأجسام المعقدة مع حمايتها من درجات الحرارة القصوى والكشف عن الأشعة تحت الحمراء.

في كاميرا الأشعة تحت الحمراء، عادة ما يبرز الجسم الدافئ بشكل واضح مقابل البيئة المحيطة الأكثر برودة. قام الباحثون الآن ببناء عباءة ثلاثية الأبعاد تعمل على ثني الحرارة حول جسم ما، ومحو محيطه الحراري مع حماية المساحة الداخلية من درجات الحرارة القصوى.

الجهاز هو أول عباءة حرارية مادية ثلاثية الأبعاد مصممة لإخفاء الأشياء المعقدة من كل اتجاه تقريبًا. فبدلاً من إيقاف الحرارة عند حاجز ما، فإنها تعيد توجيه التدفق حول المنطقة المخفية ثم تسمح لها بالاستمرار على طول مسارها الأصلي. بالنسبة لكاميرا الأشعة تحت الحمراء التي تراقب من الخارج، يبدو نمط درجة الحرارة ثابتًا إلى حد كبير، كما لو لم يكن هناك أي جسم.

يمكن لهذا النهج في النهاية تحسين التحكم في الحرارة حول الرقائق الدقيقة والمكونات الإلكترونية الحساسة. وقد يساعد أيضًا في حماية المعدات في البيئات القاسية أو تقليل التوقيعات الحرارية المستخدمة لتحديد مواقع الأشخاص والآلات.

تم إجراء البحث من قبل أستاذ الهندسة المدنية والبيئية بجامعة إلينوي أوربانا شامبين شيلي تشانغ، وباحث ما بعد الدكتوراه Weichen Li وطالب الدراسات العليا Yibo Wang، الذين يعملون مع البروفيسور Ole Sigmund في الجامعة التقنية في الدنمارك. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في اتصالات الطبيعة.

إخفاء الهوية متعدد الاتجاهات يتغلب على الحدود الماضية

وقال تشانغ: “يجب أن تعمل العباءة الحرارية الحقيقية بغض النظر عن مصدر الحرارة”. “يمكن لجهازنا إخفاء كائن ثلاثي الأبعاد معقد في عدد لا حصر له من الاتجاهات مع الحفاظ على درجة الحرارة في الداخل مستقرة ومحمية.”

كانت العباءات التجريبية السابقة تتحكم في الحرارة فقط عبر الأسطح المستوية أو على طول طريق واحد محدد مسبقًا. إذا اقتربت الحرارة من اتجاه آخر، فقد يصبح اضطراب درجة الحرارة الناتج عن الجسم المخفي مرئيًا.

لتجاوز هذا القيد، عاد الباحثون إلى نظرية التحول الحراري، وهي نظرية تحسب كيفية انتقال الحرارة حول منطقة محمية لجعل مجال درجة الحرارة المحيطة يبدو دون تغيير. تشبه الفكرة إعادة توجيه تيار حول عائق وإعادة توصيله على الجانب الآخر دون ترك انقطاع واضح.

وكان التحدي يتمثل في تحويل تلك الوصفة الرياضية إلى هيكل يمكن تصنيعه. تحتاج المناطق المختلفة من العباءة إلى موصلات حرارية مختارة بعناية، مما يعني أنه يتعين عليها نقل الحرارة بمعدلات مختلفة وعلى طول اتجاهات مختلفة.

أجاب الباحثون على هذه المشكلة باستخدام مادة شبكية يمكن تعديل هندستها بشكل مستقل في ثلاثة أبعاد. إن تغيير شكل الشبكة وترتيبها يسمح لكل قسم بتوصيل الحرارة بشكل مختلف. هذا النطاق الأوسع من السلوك الحراري جعل الجهاز المادي قريبًا من الظروف المتوقعة للعباءة المثالية.

شبكة هجينة تتحكم في تدفق الحرارة

وكانت الخطوة التالية هي إثبات أن التصميم يمكن أن يعمل ككائن حقيقي وليس فقط كمحاكاة حاسوبية. قام الباحثون بدمج مادتين لهما قدرات متناقضة بشكل حاد على حمل الحرارة.

لقد قاموا بطباعة شبكة دقيقة من الألومنيوم ثلاثية الأبعاد لإنشاء مسارات عالية التوصيل من خلال العباءة. ينقل الألومنيوم الحرارة بسهولة، مما يسمح للطاقة بالانتقال بسرعة عبر مناطق محددة. تم ملء المساحات المتبقية من خلال قالب الصب بمادة مطاطية تنقل الحرارة بشكل أبطأ بكثير.

معًا، أنشأت المواد طريقًا حراريًا يمكن التحكم فيه. تعمل بعض الأقسام على تسريع تدفق الحرارة بينما يقوم البعض الآخر بتقييده، وتوجيه الطاقة حول المساحة التي يشغلها الجسم المخفي.

بالنسبة للاختبار المعملي، وضع الباحثون العباءة بين المناطق الساخنة والباردة، مما أدى إلى إنتاج تدرج في درجة الحرارة عبر الجهاز. ثم سجلت كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء كيفية انتقال الحرارة عبر الهيكل وحوله.

من الخارج، بدا النمط الحراري كما لو أن الجسم المخفي غير موجود. مرت الحرارة حول المنطقة المحمية ثم عادت إلى ما وراءها دون إنتاج التشوه القوي الذي يكشف عادة عن وجود عائق. داخل العباءة، ظلت درجة الحرارة موحدة وبقيت معزولة عن الظروف الحارة والباردة المحيطة.

ثم زاد الباحثون من الصعوبة من خلال إخفاء أشكال معقدة ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك الأشكال التفصيلية التي تشبه رؤوس الإنسان. أظهرت هذه الاختبارات أن الطريقة يمكن أن تستوعب الأشكال الهندسية غير المنتظمة بدلاً من الأشياء البسيطة المصممة للتجارب الخاضعة للرقابة فقط.

تظل الأجسام المعقدة مخفية حرارياً

قد تكون القدرة على توجيه الحرارة حول الأشكال المعقدة مفيدة حيثما يجب إدارة درجة الحرارة بدقة. في الأنظمة الإلكترونية، قد تقوم العباءة بإعادة توجيه الحرارة بعيدًا عن المكونات الضعيفة أو منع مصادر الحرارة القريبة من التداخل مع الأجهزة الحساسة.

ويمكن أن يساعد أيضًا في حماية المعدات المعرضة لدرجات الحرارة القصوى. تطبيقات الأمن والدفاع هي احتمال آخر، بما في ذلك تقليل توقيعات الأشعة تحت الحمراء التي تسمح للكاميرات الحرارية بتمييز الأشخاص أو الآلات عن المناطق المحيطة بهم.

وقال تشانغ: “إن أي مجال يحتاج إلى تحكم دقيق في الحرارة أو يحتاج إلى حماية شيء ما من الكشف عنه حرارياً يمكن أن يستفيد من هذا العمل”. “لكننا نراها أيضًا على نطاق أوسع: فهي تتعلق بإخفاء وحماية المعلومات التي تحملها الحرارة.”

يمكن للعباءات المستقبلية إدارة الحرارة بشكل فعال

تم تصميم الجهاز الحالي بشكل أساسي لإعادة توجيه الحرارة القادمة من الخارج. إن إخفاء جسم ينتج حرارة خاصة به يمثل مشكلة أكثر صعوبة لأن تلك الطاقة ستستمر في البناء داخل المنطقة المحمية ويمكن أن تكشف في النهاية عن موقعها.

يتطلب حل هذا التحدي عباءة تستجيب ديناميكيًا. فبدلاً من اتباع مسار حراري ثابت واحد، سيحتاج إلى تركيز الحرارة أو توزيعها أو إعادة توجيهها وفقًا للظروف المتغيرة داخل الجهاز وخارجه.

ويخطط الباحثون الآن لدراسة العباءات الذكية متعددة الوظائف القادرة على أداء تلك المهام النشطة. يمكن لمثل هذه الأجهزة في نهاية المطاف أن تفعل أكثر من مجرد إخفاء البصمة الحرارية من خلال التحكم المتعمد في مكان تجمع الحرارة، وكيفية انتشارها، ومكان خروجها من المنطقة المحمية.

وقال تشانغ: “لقد أظهرنا أن عباءة حرارية حقيقية ثلاثية الأبعاد متعددة الاتجاهات أمر ممكن”. “الخطوة التالية هي صنع عباءات لا تخفي وتحمي فحسب، بل تتعامل أيضًا مع الحرارة بطرق مفيدة.”

المرجع: “عباءات حرارية ذات شكل حر في ثلاثة أبعاد” بقلم Weichen Li وYibo Wang وOle Sigmund وXiaojia Shelly Zhang، 20 مايو 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-73167-0

قامت المؤسسة الوطنية للعلوم، ومؤسسة فيلوم، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي بدعم هذا البحث.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.