美國學者研發偽裝材料 紅外儀前能掩飾體溫

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美國哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)日前開發出一種能夠在紅外熱成像儀前掩飾自己實際溫度的主動偽裝材料。

在伸手不見五指的房間里看到人或動物，在千米之外發現隱藏在密林中的敵人……這本是紅外熱像儀引以為豪的獨門絕技，而如今也有了破解之法。

據物理學家組織網報道，美國哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)日前開發出一種能夠在紅外熱成像儀前掩飾自己實際溫度的主動偽裝材料。這種材料的獨特性有望在一系列軍事和民用場景中獲得應用，它標志著主動偽裝材料已經邁出重要一步。今后，就算是通過紅外熱像儀所觀察到的溫度也未必就是真的。相關研究發表在美國物理學會開放獲取期刊《物理評論X》上。

矛與盾

近年來，紅外線熱成像技術獲得了長足的發展，尤其是在軍事領域的應用更是達到了讓對手無處可藏的地步：不少步槍配備的熱成像儀的可見距離已經超過了1000米，有些坦克和裝甲車的熱瞄準具的可見距離甚至超過了3000米。在小型化上，不久前美國科學家還開發出了一種只有指甲蓋大小的紅外線圖像傳感器，由于體積小、重量輕，它甚至能夠集成到隱形眼鏡或手機當中。這讓不少人驚呼如今連熱量這點隱私都保不住了。

由哈佛大學開發出的這種神奇的偽裝材料有望改變這一切。在實驗中，研究人員首先在一塊金屬板上刷上了這種涂層，然后通過紅外攝像機觀察其被加熱后的反應。當樣品被加熱后最初的反應和普通材料相比并無太大差異：60攝氏度時，涂層在紅外相機下呈現藍綠色；70攝氏度時呈現紅色和黃色；當溫度達到74攝氏度時，它呈現出深紅色。但之后讓人驚訝的事情發生了，隨著溫度的繼續上升，熱輻射值卻開始暴跌。當溫度上升到80攝氏度時，涂層在紅外相機中呈現藍色，與其在被加熱到60攝氏度時出現的顏色類似。而在實際溫度為85攝氏度時，它看起來竟然更冷。此外，研究人員發現，這種神奇的效果還是可逆的，能重復的，在嘗試許多次后仍然有效。

純與雜

該技術的關鍵在于一種非常薄的釩氧化物薄膜，這種材料的特殊性在于當到達特定溫度時，它的電子會發生戲劇性變化，材料的導電性能也會隨之改變。在室溫下，純釩氧化物是絕緣的，而溫度稍稍升高后，它會與金屬一樣具有導電性。在這個轉化過程當中，其光學特征也會發生變化，隨著溫度的變化，發出不同顏色的光。紅外偽裝只是其眾多技能中的一種。

釩氧化物能從絕緣體轉化為金屬這一現象，早在1959年就已經得到了科學家的確認。然而，這種材料很難處理，在加熱后其中的晶體會發生膨脹，過度的應力往往會使材料出現大量的裂紋，并最終導致樣品粉碎。新研究中，科學家們借助一項新技術，制成了極為純凈的氧化釩薄膜，穩定性極好，從而讓上述實驗成為可能。

研究人員還發現，只要在純凈的樣品中摻入雜質就能人為控制其光學特征，根據參入物質數量和成分的不同，其光學表現也各有不同。這就為這種材料的應用提供了極大的想象空間。例如，在純凈的氧化釩中摻入鎢，這種涂層的轉化溫度就可以降低到室溫范圍以內，隨著溫度的上升，熱輻射的偽裝效果也會更加明顯。

虛與實

如果在汽車上涂上這種氧化釩偽裝，就能使其像變色龍一樣根據環境改變自己的紅外形象，從紅外攝像機中看起來就如同隱身了一樣。其偽裝效果遠遠超過了目前所使用的紅外偽裝材料。

此外，該技術還可以用于戰場上的機密通訊，用特定的溫度產生的紅外反應傳遞信息，該材料可被設計為運行在特定的紅外波長，讓許多單獨的士兵同時使用。哈佛大學應用物理學與文頓·海斯電氣工程高級研究小組首席聯合研究員費德里科·卡帕索和羅伯特·華萊士教授預測，只需經過小小的調整就可以將其變成一種熱偽裝材料或者作為一種加密航標，讓士兵在戰場上確定相互的位置和進行保密通訊。

由于熱輻射攜帶熱量，類似的效果可以用于建筑或衛星的快速加熱或散熱上。哈佛的研究小組另一項重要貢獻是，發現了氧化釩納米結構隨著溫度的升高呈現一種獨特的可調節性，能用于抑制熱輻射。

卡帕索說：“要人為制造這樣一種具有內三維結構的材料是極其困難的。大自然給了我們想要的，而且是免費的。通過使用這些大自然中的超材料并操縱它們為我所用，我們開辟了一個新的研究領域，一個全新的工作方向。根據這一特性我們能夠設計出眾多全新的設備和應用。”