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Radiação Térmica Personalizada

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Jun 14, 2024
Radiação térmica: Geralmente depende apenas da temperatura (carvão à esquerda)

Radiação térmica: Normalmente depende apenas da temperatura (carvão à esquerda), mas com truques topológicos é possível fazer com que uma superfície emita radiação térmica apenas em determinados pontos, para que possa ser criada uma imagem, por exemplo um mapa de as ilhas britânicas.

Normalmente, a radiação térmica é um produto da aleatoriedade, descrita pelas leis da física estatística. A TU Wien e a Universidade de Manchester mostram que também pode ser controlada.

Quando um pedaço de metal brilha, sua cor depende unicamente de sua temperatura. O material, a geometria, a estrutura da sua superfície – nenhum destes detalhes importa. Se todos os pontos da barra metálica tiverem a mesma temperatura, então cada ponto emitirá exatamente o mesmo espectro de cores.

Mas nem sempre tem de ser assim: a equipa de investigação do Prof. Stefan Rotter (Instituto de Física Teórica, TU Wien) trabalha há muitos anos no controlo e na influência do comportamento das ondas através de métodos inovadores. Juntamente com a equipa liderada por Coskun Kocabas da Universidade de Manchester, conseguiram agora mostrar: Utilizando certos truques que estão intimamente relacionados com o campo matemático da topologia, a radiação térmica pode ser controlada com precisão, de modo que só é emitida em pontos muito específicos e em nenhum outro lugar. Este resultado surpreendente foi agora publicado na revista ‘Science’.

Propriedades dos materiais e topologia

Muitas propriedades de um material (por exemplo, a forma como ele pode absorver luz ou conduzir eletricidade) dependem de detalhes sutis: de estruturas minúsculas, da presença de átomos muito específicos. Mesmo pequenas perturbações ou impurezas podem muitas vezes fazer com que uma amostra de material se comporte de forma completamente diferente do esperado.

“Na prática, é claro, você deseja ter propriedades de materiais tão estáveis ​​quanto possível e que não sejam imediatamente destruídas por pequenas mudanças”, diz Stefan Rotter. “É por isso que recentemente foi dada especial atenção às chamadas propriedades topológicas dos materiais.”

Topologia é um ramo da matemática que trata das propriedades fundamentais dos objetos geométricos. Por exemplo, um donut é topologicamente diferente de um pãozinho – porque um donut tem um buraco no centro. Você pode espremer ou achatar um pãozinho, mas não há deformação contínua que transforme o formato do pãozinho em um formato de rosquinha. Você teria que criar um buraco para isso. Podemos, portanto, dizer que a propriedade de ter ou não furo é estável sob pequenas deformações.

O mesmo fenômeno também pode ser encontrado na pesquisa de materiais: certas propriedades dos materiais também podem ser topologicamente estáveis ​​- embora na ciência dos materiais isso geralmente não se refira ao nosso espaço tridimensional no qual os donuts ou pãezinhos estão localizados, mas sim a conceitos matemáticos mais abstratos. espaços, descrevendo certas propriedades físicas. No entanto, o mesmo se aplica aqui: se a propriedade puder ser definida topologicamente, então ela é estável contra perturbações.

A costa das Ilhas Britânicas como padrão de radiação de calor

“Como o nosso projeto conjunto mostrou, em certos casos o comportamento de radiação dos objetos também pode ser descrito topologicamente”, diz Stefan Rotter. “Isso agora permite o desenvolvimento de revestimentos muito especiais que podem ser usados ​​para controlar a radiação térmica de uma forma que antes não era possível”.

Uma combinação de certas camadas metálicas cria efeitos topológicos, o que significa que a radiação térmica só pode escapar em pontos muito específicos e não em outros. “Você pode, portanto, restringir a radiação de calor a formas completamente arbitrárias”, diz Stefan Rotter. “Nossos colegas de Manchester optaram por um mapa das Ilhas Britânicas (ver figura correspondente). Eles criaram um revestimento multicamadas especial: onde a terra é representada, a espessura da camada metálica superior é diferente de onde o mar é representado. Isto combinação especial garante agora que a radiação de calor só pode ser emitida na fronteira entre os dois – ou seja, ao longo da costa.”

Dessa forma, cria-se uma superfície que gera radiação térmica, mas não em todos os pontos da mesma forma como de costume, apenas precisamente nos pontos que traçam o litoral das Ilhas Britânicas. “Os efeitos topológicos já desempenharam um papel importante noutros contextos, como foi reconhecido pelo Prémio Nobel da Física de 2016”, diz Stefan Rotter. “O novo aspecto do nosso trabalho é agora aplicar estes conceitos à radiação térmica. A experiência agora apresentada é uma prova conceptual destas técnicas. Estamos convencidos de que toda uma gama de outros efeitos tecnicamente altamente interessantes pode ser gerada.”

Outros trabalhos já estão em andamento com colegas de Manchester e Sahin Özdemir da Penn State University, nos EUA, que já estiveram ativamente envolvidos no projeto atual.

Publicação original

MS Ergoktas et al, Emissão térmica localizada de interfaces topológicas, Science 384, 6700.

https://arxiv.org/abs/2401.08316

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