Luftspejlinger, som kan slås til og fra på en kontakt? Højtalere, som laver lyd med varme? Varme nanorør klarer begge dele -  og mere til.

I en glasbeholder, fyldt med vand, hænger tynde tråde helt tæt. Hver tråd er et nanorør; en ultratynd cylinder af karbonatomer.

Tæppet af tråde er så tyndt, at det er gennemsigtigt. Bag tæppet har forskerne fra University of Texas sat en lille plakat med teksten 'Invisibility cloaks' – usynlighedskapper.

Forskerne tænder for en kontakt. Trådene opvarmes af elektrisk strøm. En bølge af usynlighed spreder sig ud over tæppet. Hvad skete der lige der?

Usynlighed skabt af refleksioner

Trådene har lavet en lille luftspejling, helt som når imaginære vandpytter dirrer over asfalten på en varm sommerdag.

Det, vi ser, er refleksioner. Af himlen over asfalten og refleksioner af væggen bag tæppet af nanotynde tråde i laboratoriet. Effekten opstår, fordi trådene bliver varme.

Det er ikke uden grund, at luftspejlinger forbindes med ørkenvandrere i Sahara eller varme sommerdage. Solen varmer sandet eller asfalten på vejen. Hvis lysstrålerne lander i den rette vinkel, brydes lyset fra himlen ikke videre ned, men reflekteres i stedet. Fænomenet kaldes totalrefleksion.

Den dirrende pyt af totalreflekteret himmel kan på den måde se ud som dejligt vand for den tørstige ørkenvandrer.

Princippet bag totalrefleksion. Til venstre: en lysstråle kommer i en høj vinkel ned i tyndere, varmere luft og afbøjes til en lidt mindre vinkel. Midt: Lysstrålen falder i en skarpere vinkel, og afbøjningen bliver helt parallel med jorden. Til højre: Lysstrålens vinkel er endnu mere skarp, og der opstår totalrefleksion i stedet for bøjning.

Og nu har forskere fra University of Texas altså lavet et tyndt, varmt lag af karbontråde i laboratoriet.

Forskerne har lært at tæmme luftspejlingerne i laboratoriet. Eller rettere: vandspejlingerne.

Større effekt i vand

»Flydende stoffers tusind gange højere tæthed gør dem til et meget mere nyttigt medium til at frembringe store afbøjningsvinkler,« skriver Ali

Aliev, der er leder af forskergruppen, i artiklen i tidsskriftet Nanotechnology.

Det betyder i praksis, at totalrefleksion kan opstå i vand ved højere vinkler end i luft.

Den samme forskel mellem luftspejling og vandspejling kan vi også se i naturen. Ørkenvandrerens fatamorgana er altid langt væk, tæt på horisonten, netop som de vandlignende luftspejlinger på vort hjemlige asfalt.

Det kommer af, at lysstrålerne fra himlen skal møde den tynde, varme luft i en meget skrå vinkel, for at luftspejlingen kan opstå.

Når du kommer nærmere, bliver vinklen for stor, og fænomenet forsvinder.

Men under vand er det anderledes. De fleste, som har set film optaget under vandet, kender til, at vandoverfladen over dykkerne ligner et spejl.

Vandet har meget større tæthed end luften over det, så her opstår totalrefleksion ved meget mere mere lodrette synsvinkler op mod overfladen.

Derfor har forskerne sænket hele eksperimentet i vand.

Stærkere end stål og fantastisk varmeleder

Nanorørene, som de varme tråde er lavet af, er mikroskopiske cylindre af karbonatomer i et sekskantet mønster i stil med hønsenet.

Disse nanorør har mange fantastiske egenskaber. De er meget lettere end stål og over 300 gange stærkere. Men noget, der er endnu mere vigtigt for de amerikanske forskere, er, hvor hurtigt de kan varmes op.

»Vi vil vise, at den høje effektivitet i afbøjningen af lysstrålen kommer af den ualmindeligt høje termiske interaktion mellem netværket af karbonnanorør og omgivelserne,« skriver Aliev i artiklen.

Lynhurtige strømsvingninger i nanorørene giver lynhurtige temperatursvingninger. Og den store kontaktflade mellem nanorørene og materialet rundt om overfører temperatursvingningerne til det tynde vandlag.

Denne hurtige respons kan være nyttig, blandt andet i såkaldt optiske deflektorer.

Her ses nanotæppet. Til venstre med den elektriske opvarmning slået fra. Til højre er den slået til. (Foto: Ali Aliev, University of Texas at Dallas)

En optiske deflektor kan afbøje en lysstråle og hakke lyset op i korte blink, eller lyspulser.

Sådanne lyspulser kan sende store mængder data gennem glastråde, som leder lys. Trådene kaldes også for fiberoptiske kabler. Også her bruges totalrefleksion til at holde lyset inde i ledningen.

Nanorørene kan bruges til at gøre disse optiske deflektorer hurtigere. Her er ingen bevægelige dele til at sinke processen, kun temperatursvingninger.

Kan også producere opvarmet lyd

Men temperatursvingningerne i vand eller luft kan også bruges til andet end at afbøje lys. De kan også lave lyd, blandt andet i sonar under vand og højtalere i luften.

»Nanorørene er interessante i forhold til højtalere, og vi antager, at denne undersøgelse af fototermisk afbøjning vil bidrage til at optimere det til lignende anvendelser,« skriver Aliev og kollegerne.

For hvad er lyd, andet end svingninger i lufttætheden? Og det er netop, hvad disse nanorørsmembraner laver.

Med andre ord: Direkte fra strømsvingninger i forstærkeren til lydsvingninger i luften, uden andre bevægelige og langsomme dele som spoler og membraner i normale højtalere.

Man har tidligere talt om lignende termoakustiske højtalere, men i meget mindre format. Fordi membraner af nanorør er så stærke, kan de strækkes ud over meget større flader. Og sammen med den gode evne til at lede og overføre varme giver det en stor effekt, lige fra den dybeste bas til den lyseste sopran.

»Temperaturen synkroniseres med elektrisk strøm over et bredt frekvensområde, fra 1/1000 til 100.000 svingninger i sekundet,« skriver Aliev.

© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm