Lämpö, joka vihdoin oppii tottelemaan
Tarvitsen sinun kuvittelemaan jotain outoa. Kuvittele, että joka kerta kun laitat lampun päälle, valo menee joka suuntaan yhtä aikaa — et voisi suunnata sitä mihinkään, et voisi hallita minne se osuu. Kuulostaa hölmöltä, eikö?
Mutta tässä juttu: näin on käytännössä ollut lämmön kanssa koko ajan.
Se ikuinen pari, joka ei suostunut eroamaan
Tiede on ollut vuosikymmeniä jumissa erään perussäännön kanssa. Sitä kutsutaan reciprociteetiksi eli käänteisyysperiaatteeksi. Kyse on yksinkertaisesta asiasta: jos materiaali imee lämpöä tietystä suunnasta, se myös säteilee lämpöä täsmälleen samalla tavalla. Nämä kaksi toimintoa ovat olleet erottamaton parivaljakko, kuin ne pariskuntakaverit jotka tekevät kaiken yhdessä, halusit tai et.
Tämä on ollut todellinen päänvaiva kaikille, jotka yrittävät rakentaa parempia lämpöjärjestelmiä, infrapuna-antureita tai energianmuunnoslaitteita. Et ole voinut hallita erikseen sitä, miten lämpö menee materiaaliin sisään ja miten se tulee ulos. Ne ovat aina olleet harmittavan täydellisessä synkassa keskenään.
Nerokas yhdistelmä, joka muuttaa kaiken
Osakan metropolialueen yliopiston tutkijaryhmä, professori Koichi Okamoton ja tohtori Shunsuke Murain johdolla, päätti erottaa tämän lämpöparivaljakon. Ja heidän ratkaisunsa on oikeasti aika nokkela.
He yhdistivät kaksi materiaalityyppiä, joista useimmat meistä eivät ole koskaan kuulleetkaan. Ensimmäinen on magneto-optinen materiaali — tämä kapulakappale muuttaa tapaansa reagoida valoon (ja siten lämpöön) kun siihen kohdistetaan magneettikenttää. Se on kuin materiaalimaailman tunnesormus, paitsi että tämä on oikeasti tieteellinen ja hyödyllinen.
Sen parina onGST:tä, vaihemuutosmateriaali. Olet ehkä törmännyt vaihemuutosmateriaaleihin aiemmin — niiden ansiosta jotkut rakennukset pysyvät viileinä kesällä tai miksi eväspakasterasioiden geelipussit pysyvät kylminä. Ne voivat siirtyä eri fysikaalisten tilojen välillä, ja tuo siirtymä muuttaa niiden ominaisuuksia.
Kun nämä kaksi materiaalia yhdistetään? Syntyy laite, joka voi oikeasti hallita mihin suuntaan lämpö säteilee. Voit kytkeä sen päälle tai pois. Ja tässä tulee se todella villi juttu: se muistaa asetuksensa vielä senkin jälkeen kun virta katkaistaan.
Miksi tällä on oikeasti väliä
Pannaan tämä perspektiiviin. Aiemmat samankaltaisen teknologian yritykset ovat törmänneet harmillisiin rajoituksiin. Ne vaativat tyypillisesti, että lämpö tai valo osui materiaaliin todella jyrkässä kulmassa — melkein sivuttain. Tämä teki niistä tehottomia, koska paljon vähemmän energiaa todella imeytyi ja säteilylle takaisin.
Uusi rakenne toimii suorassa tulokulmassa, mikä kuulostaa tylsältä mutta on oikeasti valtava juttu käytännön sovelluksille. Vielä tärkeämpää on, että noilla vanhemmilla järjestelmillä päälle/pois-kytkentä oli epäjohdonmukaista, ja ne menettivät kaiken tallennetun tiedon heti kun virta katkaistiin. Se on kuin tehtävälistalta, joka pyyhkii itsensä joka kerta kun suljet sovelluksen.
Tämä uusi materiaali käyttäytyy enemmän kuin oikea tietokoneen muisti. Asetat sen tiettyyn tilaan, lähdet pois, ja kun palaat, se pitää edelleen tiedon tallessa. Tutkijaryhmä vertasi sitä suoraan siihen, miten data tallennetaan tietokonepiirille — paitsi että nyt kyse on lämpöenergiasta elektroneiden sijaan.
Mitä me voisimme oikeasti tehdä tällä?
Tohtori Murai sanoi heidän saaneen lämpösäteilyn käyttäytymään "älykkäämmin", ja minusta se on vähän aliarviointia. Tämä avaa joitakin todella jännittäviä mahdollisuuksia.
Älykkäämmät infrapuna-anturit voisivat nähdä asioita tarkemmin hallitsemalla täsmälleen miten ne lähettävät ja havaitsevat lämpösignatuureja. Tehokkaammat energiajärjestelmät voisivat mahdollisesti kerätä hukkalämpöä ja ohjata sen sinne minne sitä oikeasti tarvitaan sen sijaan, että se vain haihtuisi. Ja fotoniset muistiteknologiat voisivat tallentaa tietoa valon ja lämmön avulla sähkövarauksien sijaan — mikä voisi olla täysin erilainen lähestymistapa tulevaisuuden tietokoneiden rakentamiseen.
Professori Okamoto mainitsi heidän lopullisen tavoitteensa olevan laitteet, jotka hallitsevat lämpöä samalla tarkkuudella kuin elektroniset piirit hallitsevat sähköä. Se on kaunis vertaus, rehellisesti sanoen. Puhumme oikeastaan lämpöpiirien luomisesta — reiteistä, jotka voidaan ohjelmoida, kytkeä ja tallentaa aivan kuten puhelimesi tai kannettavasi elektroniset komponentit.
Kaiken kaikkiaan
Emme todennäköisesti näe tätä teknologiaa kuluttajatuotteissa huomenna. Tämä on edelleen varhaista tutkimusta, ja laboratoriokokeiden muuttaminen todellisiin laitteisiin vaatii aikaa ja paljon insinöörityötä.
Mutta perusläpimurto on merkittävä. Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat osoittaneet, että lämpö ei aina tarvitse olla kaoottinen, hallitsematon voima. Oikeilla materiaaleilla ja oikealla lähestymistavalla voimme opettaa lämpöenergian noudattamaan sääntöjä.
Ja rehellisesti sanottuna? Pidän tuota kauniina ajatuksena. Ajatus siitä, että saatamme pian ohjelmoida lämpöä samalla tavalla kuin ohjelmoimme tietokoneita, tuntuu suoraan tieteiskirjallisuudesta. Mutta tässä me olemme, katsomassa sen muuttuvan todeksi laboratoriossa Japanissa.
Lämmönhallinnan tulevaisuus juuri tuli paljon mielenkiintoisemmaksi.