Création d'une cape thermique 3D qui rend les objets (presque) invisibles aux caméras thermiques

Les chercheurs ont trouvé un moyen de contourner le problème en construisant une structure qui guide la chaleur le long d'un chemin prédéterminé, la faisant circuler autour de la région à protéger. Pour y parvenir, ils ont associé deux matériaux aux propriétés très différentes : un alliage d’aluminium, excellent conducteur de la chaleur, et du polydiméthylsiloxane (PDMS), un silicone qui conduit beaucoup moins la chaleur.

L'aluminium forme un réseau tridimensionnel de très fines barres entrelacées, tandis que le silicone remplit les espaces vides. En modifiant l'épaisseur et l'orientation des barres, les chercheurs parviennent à contrôler le passage de la chaleur vers chaque point de la structure. Le treillis a été créé par impression 3D métallique, une technique qui permet la reproduction de géométries particulièrement complexes et de très petits détails.

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La vraie nouveauté concerne précisément les trois dimensions. Les couvertures thermiques précédentes étaient développées principalement pour les surfaces bidimensionnelles ou les flux de chaleur provenant de directions spécifiques. Le nouvel appareil peut au contraire s'adapter à des formes irrégulières et fonctionner indépendamment de l'orientation du flux de chaleur. Comme l'explique Shelly Zhang, professeur d'ingénierie à l'Université de l'Illinois et responsable de la recherche, une véritable couverture thermique doit fonctionner quelle que soit la direction d'où vient la chaleur. Et c'est exactement la propriété que son équipe a cherché à reproduire.

Expérience La pomme cachée dans une poire

Pour tester l'appareil, les ingénieurs ont construit une structure avec un noyau en forme de pomme, enfermé dans un boîtier en forme de poire. Naturellement, il s’agissait de géométries artificielles, choisies pour vérifier le comportement du manteau autour de surfaces courbes. L'échantillon a été placé entre deux plaques d'aluminium : l'une chauffée à 40 °C, l'autre refroidie avec de l'eau et de la glace.

Au bout d'une heure, une caméra thermique a enregistré la répartition des températures. Les résultats ont montré que la chaleur était capable de contourner la région centrale, laissant la distribution thermique environnante presque intacte. Les lignes reliant les points à la même température restaient essentiellement droites et régulières, comme si le noyau caché ne gênait pas le passage de la chaleur.

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À l’intérieur du manteau, cependant, les variations de température étaient beaucoup plus limitées. La structure était donc capable de remplir simultanément deux fonctions : cacher la présence thermique de l’objet et le protéger des variations de température extérieures. L’expérience a été répétée en changeant la direction du flux de chaleur, obtenant ainsi des résultats cohérents avec les simulations mathématiques. Les chercheurs ont également construit et testé un deuxième appareil, cette fois avec une géométrie en forme de cœur.

Des visages humains aux formes les plus complexes

Les recherches ont également dépassé les géométries utilisées dans les premières expériences. Les ingénieurs ont conçu des capes thermiques dont les surfaces imitent les visages humains, notamment le nez, les traits et les lunettes. Grâce à des simulations informatiques, ils ont vérifié comment le réseau pouvait s'adapter même à ces formes extrêmement irrégulières, tout en conservant les propriétés nécessaires pour dévier la chaleur.

Pour y parvenir, ils ont utilisé des modèles mathématiques particuliers, appelés harmoniques sphériques, qui leur permettent de décrire des surfaces tridimensionnelles complexes. Certaines structures ont également été reproduites physiquement par impression 3D. La capacité à masquer thermiquement les visages a été évaluée dans les simulations, tandis que les contrôles expérimentaux avec caméra thermique ont porté sur les autres géométries en métal et silicone. Le résultat élargit les possibilités des métamatériaux dits thermiques, des structures artificielles conçues pour obtenir des propriétés qui dépendent avant tout de leur géométrie interne.

De la protection contre les puces électroniques aux systèmes de protection thermique

Les applications émises par les chercheurs concernent différents secteurs technologiques. L’un des plus intéressants est celui de l’électronique. Les puces électroniques et autres composants sensibles peuvent être affectés par les variations de température, notamment lorsqu'ils sont insérés dans des appareils compacts et traversent des flux de chaleur difficiles à gérer. Un matériau capable de diriger la chaleur selon des chemins spécifiques pourrait aider à protéger certaines zones, en maintenant des conditions thermiques plus stables.

Un autre domaine concerne le blindage des équipements et le contrôle des informations détectables par la chaleur, avec des développements possibles également dans les systèmes de sécurité. Dans la présentation officielle de la recherche, Zhang a expliqué que toute industrie où il est nécessaire de contrôler avec précision la chaleur ou de protéger quelque chose de la détection thermique pourrait bénéficier de cette technologie.

Le groupe travaille déjà sur la phase suivante : développer des capes intelligentes, capables de gérer également la chaleur produite par les objets cachés à l'intérieur, plutôt que de simplement dévier la chaleur venant de l'extérieur. Pour l'instant, l'appareil a montré qu'il est possible de construire un chemin tridimensionnel autour d'un objet et de laisser circuler la chaleur comme si cet obstacle n'était pas là. La pomme est toujours à l'intérieur de la poire. C'est la chaleur qui a appris à tourner autour d'elle.