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浅谈“热隐身衣”的前世、今生和未来

已有 6203 次阅读 2012-5-26 18:39 |系统分类:科普集锦| 论文, 隐身衣

光学隐身衣,大家现在都已经耳熟能详了,它是指这样一件衣服,哈利·波特一旦穿上它,光就会绕过他而走,使得别人看不见他。这个原本只有在小说或电影中才存在的魔幻道具,自从2006LeonhardtScience 312, 1777 (2006)】和Pendry等人【Science 312, 1780 (2006)在《Science》上各自发表了一篇论文后,便开始登上科学的殿堂。当前物理学家在设计光学隐身衣时,主要的方法就是改变衣服的物理参数(即光学介电常数和光学磁导率),从而使得它们满足特定的方程,这个方程使得光照射到这件衣服时,会避开特定的区域,从而使得这个区域内的物体不能为外界所探测,也就实现了隐身。举个不很恰当、但比较形象的比喻就是,这整个过程就像水流过石头一样,水会绕开石头,继续向前流动,而石头内若有物体的话,水是无论如何也不可能接触到它的。


光学隐身衣这个概念的启发下,我和两位研究生于2008年率先提出热隐身衣(thermal cloak)这个新概念【Applied Physics Letters 92, 251907 (2008)】。该热隐身衣的工作原理就是设计特定的热导率分布,使得热流可以绕过物体而行,也就是说,如果这个物体穿上这件隐身衣的话,外界的热对该物体将没有任何影响。无疑,这样的衣服非常有用:如果各位读者都穿上它,也就不怕寒暑交替了,它可以确保你身体所处的环境,四季如春,因为外界的温度变化,对你的身体没有影响;如果运载火箭穿上它,也就不再惧怕大气层的摩擦产生的热对火箭的损伤了;……


我们关于热隐身衣的这个新概念,很快得到了台湾一个课题组的佐证【Applied Physics Letters 93, 114103 (2008)】,他们从理论上再度证实了热隐身衣可以存在。2010年,我们给出了一个实现热隐身衣的理论方案【Journal of Applied Physics, 108, 074504 (2010),我们建议基于颗粒复合材料来实现之。20123月,我们关于热隐身衣的设想又得到法国一个组的理论验证【Optics Express 20, 8207 (2012)】,他们这个工作被BBC News报道了(http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-17518210),标题是:'Thermal cloak' hides objects from heat”, 之后,被很多家媒体跟进报道20125月,美国哈佛大学的一个组,发表了一篇论文【Physical Review Letters 108, 214303 (2012)】,他们使用多层复合材料,首次从实验上验证了我们关于热隐身衣的理论预言。他们这个工作证明热隐身衣在某种条件下确实能够存在。关于哈佛大学的这个工作,《Science》的一位记者联系我,希望听听我的评价和意见。我告诉他,这类材料不仅可以用于实现热隐身衣,还可以用于设计热计算机(thermal computer, 从而代替传统的电子计算机,以实现对废热的充分利用。之后,《Science》上很快就发表了一则专题报道, 标题是"Heat trickery paves way for thermal computers" (http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/05/heat-trickery-paves-way-for-ther.html#sci-comments)。这篇报道的最后两段内容是我对哈佛大学的这个工作的评价和展望。大体而言,现有的这个材料,只能实现对热传导的屏蔽,而热的传输,除了热传导,还有热对流和热辐射,要想实现真正意义上的热隐身衣,科学家们还有大量工作要做。


于是,我们更期待着热隐身衣的进一步发展了……

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