Тепло является великим врагом современной электроники — это может породить ошибки и пожарить компоненты. Но теперь ученые повернули тепло к своему преимуществу путем создания устройств, бегущих на тепле вместо электричества. Трансгрессия могла привести к тепловым компьютерам, убегающим тепла тела или другого использованного тепла от нашей окружающей среды.Поток тепла является просто потоком энергии от более горячего объекта до более холодного объекта.
Предположите нагревать металлическую трубу в одном конце: Тепловые потоки от горячего конца до холодного конца, и в каждом пункте вдоль трубы температура уменьшаются. В терминах физики существует «однородный температурный градиент». Тепло берет этот простой путь, потому что труба проводит то же количество тепла в каждом месте и в каждом направлении.
Все же материалы не должны проводить тепло так просто. Если бы Вы ставили переменные листы друг на друга материала, проводящего тепло и другого, который изолирует его, то тепло было бы проведено более свободно боком, чем в направлении от начала до конца.
Инженеры-электрики знакомы с этим принципом: это – тот же самый, который делает резисторы, одну из наиболее распространенных электрических деталей, проведите больше, когда телеграфировано параллельно чем тогда, когда телеграфировано последовательно. Прорыв нового исследования должен скроить композиционные материалы так, чтобы их тепловая проводимость не была просто стороной для запасного пути или от начала до конца, но и в направлении, изменяющемся повсюду. «Нагрейте поток, как электрический ток, должен быть рассмотрен как среда, которой можно управлять, управлять и обработать», говорит автор исследования Юки Сато, физик в Гарвардском университете.
Сато и самая простая демонстрация коллеги Сапрэдипа Нэраяны Гарварда имеют тепловой щит: устройство, исключающее поток тепла из определенного региона. Это состоит из цилиндра, примерно столь же большого как батарея C-размера, содержа 40 чередований, концентрические слои натурального каучука и вселенного в нитрид бора эластомера силикона. Исследователи бросают устройство в блоке проводящего желе и сохранили одну сторону теплой и другой холод. Без щита на месте, тепло текло бы через желе в однородном температурном градиенте, как в примере трубы.
Однако, когда исследователи рассмотрели температурный градиент сверху с инфракрасной камерой, они нашли, что их щит почти полностью исключил поток тепла из региона внутри, не влияя на его поток в желе снаружи.Пара Гарварда выполнила пару большего количества уловок.
В одном они обменяли концентрическую структуру щита для больших, переменных слоев, вывихнувших направленный наружу как щетка пылесоса. Это устройство сконцентрировало поток тепла так, чтобы весь теплый к низкой температуре градиент, вместо того, чтобы быть распространенным однородно через желе, был сосредоточен в небольшой регион внутри. Затем, Сато и Нэраяна изменили устройство так, чтобы его слои обернули вокруг подобного искривленную швабру. Удивительно, этот «инвертор» перевернул поток тепла внутри на 180 °, так, чтобы это текло противоположным способом, чем желе снаружи.
Результаты должны быть изданными в Physical Review Letters.«Это – интересный предмет», говорит Алекс Зеттл, физик в Калифорнийском университете, Беркли. «Манипуляция потоков тепла не изучалась очень или эксплуатировалась. …, Тем не менее, существуют вероятные ситуации, где потоки тепла могут успешно использоваться для вычисления и других заявлений».Вычисление, требующее, чтобы устройства, такие как транзисторы переключились на основе различных вводов, было бы большим шагом.
Но не слишком большой шаг, объясняет Сато. Материалы уже существуют, чья проводимость зависит от температуры; если бы такие материалы использовались в инверторе исследователей, то устройство передвинуло бы поток тепла, только если окружающая среда была достаточно теплой. Это, говорит Сато, было бы основанием теплового вычисления.В принципе тепловой компьютер мог использоваться для тех же задач в качестве нормального компьютера, таких как обработка текста или серфинг Интернета, говорит Цзипин Хуан, физик в Фуданьском университете в Шанхае, Китай.
Но тепловой компьютер извлек бы выгоду из того, чтобы быть энергосбережением, потому что это могло убежать, использованное тепло в окружающей среде — даже нагревается произведенный человеческим телом.Хуан подчеркивает, что существуют практические препятствия, как бы то ни было. В отличие от электричества, тепло может перейти тремя процессами: проводимость, конвекция и радиация.
Это означает, что физики должны будут изучить, как ограничить влияние нежелательного тепла. «Мечта является довольно блестящей», говорит Хуан, «но действительность довольно жестока».