Горячий кофе в термосе длительное время сохраняет свою температуру за счет особой конструкции стенок сосуда. Вакуум (ну, скажем так, разряженный газ) внутри стенок термоса позволяет теплоизолировать его от окружающего пространства. Однако, потери тепла все равно неизбежны (даже если не обращать внимания на несовершенства термоса): ваш нагретый кофе будет излучать его в инфракрасном диапазоне.
Группа ученых из Калифорнии задалась вопросом, а не могут ли поспособствовать сохранению тепла вещества, известные как фотонные кристаллы.
Фотонный кристалл – это периодическая структура, одно из удивительных свойств которой – блокирование узких частотных диапазонов светового излучения, в частности, инфракрасного излучения нагретого тела. Фактически, в фотонном кристалле реализуются так называемые запрещенные и разрешенные зоны для энергии фотонов, на подобии тех, что образуются в полупроводнике для энергии носителей тока. Это означает полное отражение излучения, энергия фотонов которого попадает в «запрещенную» зону. Это оптический фильтр, встречающийся и в природе; классический пример фотонного кристалла – натуральный опал.
Еще в прошлом году научная группа теоретически сравнила тепловую проводимость вакуума и одного из известных фотонных кристаллов. Ученые оценили ширину энергетических уровней, их количество и выяснили, что у стенки из фотонного кристалла толщиной около 100 микрон при комнатной температуре и выше тепловая проводимость в 2 раза ниже, нежели у чистого вакуума. Таким образом, кофе в термосе из подобного материала, гораздо дольше оставался бы теплым.
В октябрьском номере журнала Physical Review B ученые опубликовали полный теоретический расчет и анализ проблемы; там же исследователи приводят свое объяснение феномена столь хорошей теплоизоляции, не зависящей при этом от структуры кристалла.
Обычно расчеты для фотонных кристаллов проводятся на частном случае, с использованием данных о ширине конкретных энергетических зон и т.п. Ученые из Калифорнии применили другой подход, который они сами назвали статистической теорией. Неожиданный результат был в том, что итоговая тепловая проводимость не зависит от толщины каждого отдельного энергетического уровня, а варьируется только в зависимости от коэффициента преломления света в твердом теле.
Опубликованная исследовательская работа предполагает, что фотонные кристаллы в будущем могли бы перспективно использоваться в промышленности. Искусство управления тепловым излучением могло бы в значительной степени упростить работу тех, кто пытается использовать энергию солнца в качестве источника электричества.
В будущем ученые планируют продолжать исследования в этой области, сосредоточившись на фотонных кристаллах с неправильной структурой. По мнению исследовательской группы, они могут показать еще более хорошие теплоизолирующие свойства.
