Manipulering af metaller til adaptiv camouflage

Mange arter har naturligt udviklet bemærkelsesværdige strategier til visuelt at tilpasse sig deres miljøer til beskyttelse og prædation. Forskere har studeret adaptiv camouflagering i det infrarøde (IR) spektrum, selvom metoden er meget udfordrende at udvikle i laboratoriet. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Mingyang Li og et forskerhold ved National University of Defense Technology i Kina, udviklet adaptive termiske camouflage-enheder, der byggede bro mellem de optiske og strålingsegenskaber af nanoskopiske platin (Pt) og sølv (Ag) elektroaflejrede Pt-film. De metalbaserede enheder holdt sig store, uniform, og konsekvente IR-afstemninger i mellembølge IR (MWIR) og langbølge IR (LWIR) atmosfæriske transmissionsvinduer (ATW'er). Holdet multipleksede og forstørrede enhederne, giver fleksibilitet til camouflering. Teknologien er fordelagtig på tværs af en række forskellige camouflageplatforme og i mange termiske strålingsstyringsteknologier.

I de seneste år har der været en omfattende forskningsindsats for at kontrollere de infrarøde (IR) funktioner i objekter til camouflage i IR-spektret. For at nå dette mål, videnskabsmænd skal præcist kontrollere strålevarmen, der udsendes fra et objekt, for at matche baggrunden. Baseret på Stefan-Boltzmann-loven, strålevarmen fra et objekt er proportional med fjerde potens af dets absolutte temperatur og emittansen af ​​overfladen. Til dynamisk kontrol af objektets temperatur eller termiske emittans, forskere tilbyder mikrofluidiske netværk og termoelektriske systemer som mulige tilgange til at opretholde adaptiv termisk camouflage. Inspireret af de mange optiske og strålingsegenskaber af metaller, Li et al. rapporteret om nanoskopiske platin (Pt) film-baserede reversible sølv (Ag) elektrodeposition (RSE) enheder for fremragende adaptiv termisk camouflage-egenskaber.

Da nanoskopiske platinfilm har høj IR-absorption og delvis IR-transmission, dette kunne omdannes til absorption via det IR-absorberende gelelektrolytlag i opsætningen. Påføring af aflejringsspændingen i systemet muliggjorde gradvis elektroaflejring af sølv på de nanoskopiske platinfilm, gradvist at konvertere IR-absorptionen og transmissionen til IR-refleksion for at muliggøre lavemissionstilstande fra enhederne. Nanoskopiske Pt-film kunne ikke opløses, derfor, de tillod flere cyklusser af Ag-aflejring og opløsning, for at skifte mellem høj- og lavemitterende tilstande i mange cyklusser. Li et al. udviklet forskellige enheder med flere strukturelle belægninger, ru og fleksible substrater til at danne multipleksede formater for at udvide camoufleringsscenarierne.

For at udforske reguleringen af ​​IR på metalbaserede enheder, holdet undersøgte først de elektriske egenskaber af de nanoskopiske Pt-film. De undersøgte filmens spektrale reaktioner, hvor forøgelse af Pt-tykkelsen viste enorme fald i IR-transmittans for at indikere, at IR-absorptionen dominerede den spektrale respons af de tynde film. Forskerne undersøgte yderligere de potentielle områder af IR-modulation og cyklusstabiliteten af ​​de nanoskopiske platinfilm i en tre-elektrode reversibel sølv elektroaflejring (RSE) film. På grund af den energigunstige grænseflade mellem Ag og Pt, den elektroaflejrede Ag-film viste forholdsvis mere ensartet, kohærente og finkornede morfologier på 3 nm Pt-filmen. Denne funktion gjorde det muligt for forskerne at konvertere den nanoskopiske Pt-film til en høj IR-reflekterende film på kort tid. De næsten identiske potentiostatiske cykluskurver i systemet bekræftede deres evne til at udføre stabil og reversibel elektroaflejring på de nanoskopiske Pt-film.

For at vurdere IR-ydelsen af ​​de samlede enheder med varierende Pt-tykkelser, Li et al. vedhæftede dem til en 50 ⁰ C varmeplade og optog deres MWIR (midtbølge IR) og LWIR (langbølge IR) billeder i realtid. Holdet påførte en negativ spænding på 2,2 V for gradvist at elektrodeponere Ag-film på Pt-overfladen, da den tilsyneladende temperatur af disse enheder gradvist faldt. Da forskerne derefter påførte en positiv spænding på 0,8 V, den elektroaflejrede Ag-film kunne opløses fuldstændigt i elektrolytten, og vendte sig til deres begyndelsestilstande for at indikere enhedernes reversibilitet. Enheden kunne fungere stabilt i op til 350 fuldt reversible cyklusser for at bekræfte deres stabilitet og reversibilitet for adaptiv termisk camouflage.

For at multiplekse og forstørre enheden, Li et al. konstrueret et tre-til-tre multiplekset IR-omskifteligt array og en forstørret uafhængig enhed. Ved at kontrollere den kombinerede elektroaflejringstid for dets uafhængige pixels, forskerne genererede bogstaverne "N", "U", "D", og "T" med forskellige temperaturer som LWIR-billeder på arrayet. Arbejdet viste tilpasningsevnen af ​​den komplekse baggrund og stor-areal gennemførlighed af de adaptive systemer. Holdet udvidede derefter camoufleringsscenariet for den metalbaserede dynamiske IR-modulationsmekanisme på ru og fleksible enheder. Under arbejdet erstattede de poleret bariumfluorid (BaF ₂ ) substrater med ru versioner og brugte polypropylen (PP) film til at afsætte de nanoskopiske Pt film. På grund af mikronskalaens ruhed af BaF ₂ og dårlig befugtning af PP-filmen, holdet bemærkede kravet om tykkere Pt-film for at danne fysisk forbundne og elektrisk ledende film. Den ru BaF ₂ -baseret enhed reflekterede diffust den udvendige termiske matrix i opsætningen og undertrykte sin egen IR-stråling for effektivt at reducere påvirkningen fra det eksterne miljø. De ru og fleksible adaptive varianter udviklet i arbejdet fremhævede multi-substrat kompatibiliteten af ​​den metalbaserede IR-modulationsmekanisme, hvilket udvidede enhedens camoufleringsscenarier.

Li et al. kombinerede derefter enhederne med strukturelle farvebelægninger for at forbedre deres synlige kompatibilitet for at forhindre deres synlige påvisning i dagtimerne. For det, de brugte en række synlige bølgelængdeskalaer, tykt chromoxid (Cr ₂ O ₃ ) lag mellem BaF ₂ substrat og nanoskopiske Pt-film. Ved afsætning af forskellige tykkelser af Cr ₂ O ₃ lag, på grund af deres tyndfilmsinterferenseffekter i det synlige spektrum, de "dekorerede" enheder viste forskellige farver. Forskerne bemærkede, at de strukturelle farver skiftede fra relativt mørke til mere udtalte farver i opsætningen. Den Cr ₂ O ₃ lag genererede kun farver i det synlige spektrum og havde derfor ringe indflydelse på enhedernes IR-ydelse. Resultaterne viste muligheden for at integrere enkle optiske designs i de adaptive systemer for synlig kompatibilitet, gør enhederne sværere at opdage i dagtimerne.

På denne måde Mingyang Li og kolleger udviklede adaptive camouflage-enheder ved reversibelt at afsætte sølv på nanoskopiske platinfilm. Enhederne viste store, uniform, og konsekvente IR-afstemninger i både mid-wave IR og langbølge IR atmosfæriske transmissionsvinduer. Forskerne multipleksede let enhederne ved at mønstre nanoskopiske Pt-film eller ved at tilføje ledende gitre for kompleks baggrundstilpasning og fleksibilitet i store områder. Holdet opnåede synlig kompatibilitet ved at tilføje en række synlige bølgelængdeskalatykke Cr ₂ O ₃ lag. De enheder, der er udviklet i dette arbejde, kan inspirere den næste generation af adaptive termiske camouflageplatforme, der hurtigt og præcist styrer termisk stråling og camouflage som svar på multispektral detektion og tilpasningsevne til komplekse miljøer. Disse enheder vil have anvendelse på tværs af termiske strålingshåndteringsteknikker, herunder energieffektive bygninger, termoreguleringstøj og i smarte rumfartøjer.

© 2020 Science X Network