Une équipe de chercheurs d’Allemagne et de France rapportant dans la Physical Review Letters a développé et testé avec succès une forme de cape d’invisibilité qui peut guider le flux de chaleur autour des objets, les rendant thermiquement invisibles.
Heat cloak : une série d’anneaux concentriques permet à la chaleur se propageant de gauche à droite sur une feuille métallique de s’écouler plus facilement autour d’un disque thermiquement isolé que vers son centre, ne laissant aucun signe du disque dans la distribution de température sur le côté droit ; les couleurs représentent les températures mesurées avec une caméra infrarouge et sont superposées sur une photo de la structure avant que le matériau isolant caoutchouteux ait été ajouté aux trous et aux espaces ; les lignes blanches relient les points à la même température (R. Schittny / KIT)
La lumière et le son peuvent être transmis autour des objets au moyen de métamatériaux spéciaux. Les scientifiques ont maintenant réussi à démontrer que ces mêmes matériaux peuvent également être utilisés pour influencer spécifiquement la propagation de la chaleur. Ils ont constaté qu’une plaque structurée en cuivre et en silicium peut conduire la chaleur autour d’une zone centrale sans que le bord ne soit affecté.
“Pour la cape d’invisibilité thermique, les deux matériaux doivent être disposés intelligemment”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, le Dr Robert Schittny, de l’Institut de technologie de Karlsruhe.
“Le cuivre est un bon conducteur de chaleur, tandis que le matériau en silicone utilisé, appelé PDMS, est un mauvais conducteur. En dotant une fine plaque de cuivre de structures annulaires en silicium, nous produisons un matériau qui conduit la chaleur dans diverses directions à des vitesses variables. De cette manière, le temps nécessaire au passage autour d’un objet caché peut être compensé.”
Si une plaque métallique simple et solide est chauffée sur le bord gauche, la chaleur migre uniformément vers le côté droit. La température de la plaque diminue de la gauche vers la droite. Le nouveau métamatériau constitué de cuivre et de silicium présente exactement le même comportement à l’extérieur de la structure annulaire. Aucune chaleur ne pénètre à l’intérieur. À l’extérieur, rien n’indique ce qui se passe à l’intérieur.
“Ces résultats révèlent de manière impressionnante que les méthodes de l’optique de transformation peuvent être transférées au domaine très différent de la thermodynamique”, a expliqué l’auteur principal, le Dr Martin Wegener, également de l’Institut de technologie de Karlsruhe. “C’est ici qu’a été mise au point la première cape d’invisibilité tridimensionnelle pour la lumière visible”.
“Alors que l’optique et l’acoustique sont basées sur la propagation des ondes, la chaleur est une mesure du mouvement non ordonné des atomes. Néanmoins, des descriptions mathématiques de base peuvent être utilisées pour calculer les structures ayant l’effet d’une cape d’invisibilité. Grâce aux méthodes de l’optique de transformation, une distorsion du système de coordonnées de description est calculée. Arithmétiquement parlant, un objet étendu disparaît en un point infiniment petit. Cette distorsion virtuelle peut être mise en correspondance avec une structure métamatérielle réelle qui fait passer la lumière incidente autour de l’objet à cacher, comme s’il n’existait même pas.”
“J’espère que notre travail sera à la base de nombreux autres développements dans le domaine des métamatériaux thermodynamiques. Les capes d’invisibilité thermiques sont un domaine assez nouveau dans la recherche fondamentale. À long terme, elles pourraient être appliquées dans des domaines nécessitant une gestion efficace de la chaleur, comme dans les micropuces, les composants électriques ou les machines.”
