Распределение температур внутри и вокруг термостатированной области. Минимальная температура (слева) — 273 кельвина (0°C), максимальная (справа) — 353 кельвина (80°C).

Xiangying Shen et al. / PRL, 2016

В основе устройства лежит идея о том, что материалы могут изменять свою теплопроводность с температурой. Авторы разрабатывали термостат, находящийся между горячей и холодной областями. С помощью математического моделирования физики выяснили, что с холодной стороны материал термостата должен улучшать свою теплопроводность при температуре выше заданной, но снижать ее при низких температурах. На горячей стороне наоборот — ухудшать проводимость при высоких температурах.

При повышении температуры горячей стороны термостата теплопроводность резко падает. Это позволяет двум областям поддерживать высокую разницу температур между собой и сохранить постоянным поток тепла от горячего края к холодному. Физики сравнивают эту ситуацию с поведением электрического тока: при повышении напряжения (разности потенциалов) между концами цепи достаточно поднять сопротивление и ток станет прежним.

Строение термостата

Xiangying Shen et al. / PRL, 2016

Ученые продемонстрировали идею термостата в эксперименте. Физики пытались сохранить постоянной температуру центральной части тонкой металлической полоски, температурой концов которой можно было управлять. В роли теплопроводящего материала авторы выбрали поперечные (по отношению к полоске) биметаллические ленты, закрепленные с одного конца. Под биметаллическими лентами ученые поместили материал с низкой теплопроводностью.

Термограммы термостата с биметаллическими полосками (слева) и пластинки без материалов с варьируемой теплопроводностью (справа).

Xiangying Shen et al. / PRL, 2016

Биметаллические ленты при переходе температуры за некоторый предел, изгибались и нарушали непрерывность теплопроводящего канала. За счет этого физики защищали центральную область от избыточного тепла. В эксперименте ученые пытались сохранить температуру центральной области на уровне комнатной (около 20 °C). Нагрев горячей стороны с 47 до 80°C привел к увеличению температуры центральной зоны всего на один градус.

Похожие температурные градиенты могут возникать, например, в компьютерных чипах и многих других устройствах. Авторы надеются, что вскоре новая идея для термостатирования материалов сможет найти коммерческое применение. Один из главных плюсов разработки — энергонезависимость.