Исследователи из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, APL) совместно с Samsung Electronics разработали новый твердотельный термоэлектрический охлаждающий материал, пригодный для массового производства с использованием полупроводниковой технологии. Разработчики утверждают, что новинка в два раза эффективнее ранее разработанных термоэлектрических материалов для охлаждения электронного оборудования.

Источник изображения: eenewseurope.com

Технология твердотельного термоэлектрического охлаждения CHESS (Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures — «управляемые иерархически спроектированные сверхрешёточные структуры») стала результатом десятилетних исследований APL. Изначально она разрабатывалась в рамках проекта национальной безопасности для программы DARPA в США, но авторы считают, что спектр применения CHESS гораздо шире — от охлаждения протезов конечностей до отвода тепла от электронного оборудования.

«Наша реальная демонстрация охлаждения с использованием новых термоэлектрических материалов показывает возможности CHESS, — заявил руководитель совместного проекта Рама Венкатасубраманиан (Rama Venkatasubramanian). — Это знаменует собой значительный скачок в технологии охлаждения и закладывает основу для перевода достижений в области термоэлектрических материалов в практические, крупномасштабные, энергоэффективные холодильные приложения».

Технология основана на использовании электронов для отвода тепла через специализированные полупроводниковые материалы, что устраняет необходимость в движущихся частях или охлаждающих жидкостях. Исследователи использовали металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) для производства материалов CHESS. По словам учёных, «этот метод известен своей масштабируемостью, экономической эффективностью и способностью поддерживать крупносерийное производство».

Структура CHESS в тонкоплёночных материалах P- и N-типа. Источник изображения: nature.com

Используя материалы CHESS, команда разработчиков достигла почти 100 % повышения эффективности отвода тепла по сравнению с традиционными термоэлектрическими материалами при комнатной температуре. Это означает почти 75 % повышение эффективности на уровне устройства в термоэлектрических модулях и 70 % повышение эффективности в полностью интегрированной системе охлаждения.

Охлаждение большой площади с минимальным количеством пар P-N. Источник изображения: nature.com

«Эта тонкоплёночная технология имеет потенциал для роста от питания небольших холодильных систем до поддержки крупных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зданий, подобно тому, как литий-ионные батареи были масштабированы для питания таких маленьких устройств, как мобильные телефоны, и таких больших, как электромобили», — уверен Венкатасубраманиан.

Разработчики планируют продолжить совершенствование термоэлектрических материалов CHESS с акцентом на повышение эффективности, чтобы приблизиться к эффективности обычных механических систем. В скором времени они собираются продемонстрировать более масштабные холодильные системы на основе CHESS, включая морозильные камеры. Другим направлением их дальнейшей работы станет интеграция ИИ для оптимизации энергоэффективности при раздельном или распределённом охлаждении в холодильном и климатическом оборудовании.

Термоэлектрическое качество (ZT) при температуре 300 К, измеренное методом Хармана. Источник изображения: nature.com

«Помимо охлаждения, материалы CHESS также способны преобразовывать разницу температур, например, тепло тела, в полезную энергию, — отметил менеджер исследовательской программы Джефф Маранчи (Jeff Maranchi). — В дополнение к продвижению тактильных систем следующего поколения, протезов и человеко-машинных интерфейсов, это открывает дверь к масштабируемым технологиям сбора энергии для приложений, начиная от компьютеров и заканчивая космическими аппаратами — возможности охлаждения, которые были нереализуемы с помощью старых громоздких термоэлектрических устройств».

Термическое моделирование и внедрение модулей TFTEC в холодильную систему. Источник изображения: nature.com

Разработчики уверены, что технология охлаждения CHESS открывает новые перспективы не только в научном, но и в коммерческом плане. В настоящее время они работают над переводом этих инноваций в практические, реальные приложения.

Учёные из США приблизились к созданию уникальных очков ночного видения, которые были бы не только компактными и лёгкими, но также обладали бы эффектом памяти на образы. Это позволило бы обеспечить предварительную обработку изображений нейронными сетями прямо на стёклах очков, без их загрузки в процессор. Но даже без ИИ новая разработка демонстрирует, насколько OLED-очки ночного видения могут оказаться легче современных аналогов.

Источник изображения: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering

Проект частично финансируется DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) и в данный момент ведётся учёными из Университета Мичигана. Как известно, современные приборы ночного видения (очками их можно назвать с очень большой натяжкой) представляют собой устройства с вакуумными приборами и люминофором, которые со значительными затратами энергии преобразуют ближний инфракрасный свет в электроны и, после усиления, создают монохромную картинку на светящемся покрытии.

Учёные из США создали новый тип OLED (органических светодиодов), который реагирует на электроны и возбуждает фотоны видимого света. Представленный ими датчик и преобразователь ближнего инфракрасного излучения в видимое тоньше человеческого волоса — его толщин составляет менее 1 мкм. Он состоит из пяти слоёв и, в идеале, каждый попавший на него электрон превращает в пять фотонов.

Первый слой датчика возбуждает электроны от попадания фотонов ближнего инфракрасного света. Затем электрон пролетает пять слоёв OLED-плёнки. Глаза человека может достичь только один образовавшийся фотон видимого света, тогда как другие фотоны снова возбуждают электроны в первом слое и, таким образом, создают эффект усиления с положительной обратной связью без обычных громоздких и высоковольтных устройство по усилению электронного потока.

Экспериментальное устройство обладает скромным усилением всего в 100 раз. Современные приборы ночного видения способны усиливать сигнал до 10 тыс. раз. Учёные говорят, что конструкцию OLED-датчика можно дальше оптимизировать, добиваясь большего усиления и, соответственно, более высокой чувствительности к инфракрасному свету. Но даже сейчас лёгкость и компактность новой конструкции очков с точки зрения эффективности и экономности питания позволяет многократно превзойти коммерческие приборы ночного видения.

Что касается сопутствующего эффекта памяти OLED-очков, то он в определённом смысле будет помехой ночному зрению. Тем не менее, учёные уже нашли ему применение в виде нейросетей для распознавания образов на уровне стёкол без загрузки в процессор. Это определённо может пригодиться для систем машинного зрения, но впереди ещё много работы, хотя исследователи говорят, что запустить разработку в производство труда не составит — они взяли готовые технологии и просто нашли их удачное сочетание.

Исследователи из Австралии придумали плёнку, которая позволит человеку видеть в темноте почти также хорошо, как днём. Очки с такой плёнкой будут гораздо менее громоздкими и сложными, чем нынешние приборы ночного видения. Это изменит быт, привычки и навыки людей, считают исследователи.

Источник изображения: TMOS

Сегодня приборы ночного видения преобразуют излучение в инфракрасном спектре (фотоны) в видимое изображения с помощью многоступенчатой системы. Фотоны через линзы попадают на электронную трубку, в которой фотокатод преобразует фотоны в электроны. Затем электронная трубка порождает усиленный поток электронов, который попадает на экран с люминофором и возбуждает свечение — воспроизводит сцену. Более сложные и чувствительные приборы требуют охлаждения, чтобы избавиться от фонового шума. В результате даже самые развитые приборы ночного зрения получаются громоздкими и тяжёлыми.

Исследователи из Центр передового опыта ARC Австралийского национального университета в области преобразующих метаоптических систем (TMOS) создали тончайшее как пищевая плёнка покрытие для линз очков или гарнитур, которая сразу преобразует инфракрасные фотоны в фотоны видимого спектра. Достигается этот за счёт использования накачки или опорного луча, поэтому наклейкой одной лишь «инфракрасной» плёнки на стёкла обойтись нельзя. Потребуется некое устройство в виде гарнитуры, но в любом случае оно будет проще и легче современных приборов ночного видения.

В новом устройстве инфракрасные фотоны проходят через метаповерхность с резонансными свойствами. Метаповерхность изготавливается из ниобата лития. Вместе с лучом накачки материал метаповерхности повышает энергию фотонов и переводит их в видимый спектр, минуя процесс с переводом фотонов в электроны, их усиление и бомбардировку экрана с люминофором. Более того, предложенное решение свободно пропускает видимый диапазон света, дополняя невидимые в обычном свете детали изображения видимыми. Картинка получается более насыщенной деталями, хотя пока она как и у приборов ночного видения зелёного цвета, к которому глаз человека наиболее чувствительный. В будущем ночное зрение обещает стать цветным.

Источник изображения: Advanced Materials

Разработанная учёными метаповерхность представляет собой тонкую плёнку и может быть установлена на обычные стёкла в оправу очков. Её вес менее одного грамма. О массе необходимого для работы очков дополнительного оборудования учёные умалчивают. Но даже если сейчас оно не покажется компактным, современные полупроводниковые лазеры способны быть очень и очень маленькими, а значит, ночное зрение со временем может стать доступным для обычных людей в их повседневной жизни, работе или досуге.