Что такое метаматериалы?
Префикс мета указывает, что характеристики материала выходят за рамки того, что мы видим в природе. Метаматериалы - это искусственно изготовленные композитные материалы, которые получают свои свойства от внутренней микроструктуры, а не от химического состава природных материалов.
Основная концепция метаматериалов заключается в изготовлении материалов с использованием искусственно разработанных и изготовленных структурных элементов для достижения желаемых свойств и функциональных возможностей. Эти структурные единицы - составляющие искусственные «атомы» и «молекулы» метаматериала - могут быть приспособлены по форме и размеру, постоянная решетки и межатомное взаимодействие могут быть искусственно настроены, а «дефекты» могут быть спроектированы и размещены в желаемых местах.
Разработав расположение этих наноразмерных элементарных ячеек в желаемой архитектуре или геометрии, можно настроить показатель преломления метаматериала на положительные, близкие к нулю или отрицательные значения. Таким образом, метаматериалы могут быть наделены свойствами и функциональными возможностями, недостижимыми в природных материалах.
Например, для того, чтобы технология плаща-невидимки затемняла объект или, наоборот, для «идеальной линзы» подавляла рефракцию и позволяла непосредственно наблюдать за отдельным белком в световом микроскопе, материал должен быть в таком состоянии чтобы точно контролировать свет .
Метаматериалы предлагают этот потенциал.
Хотя метаматериалы уже произвели революцию в оптике, их производительность была ограничена из-за их неспособности функционировать в широкой полосе света. Разработка метаматериала, который работает по всему видимому спектру, остается серьезной проблемой.
Одна сложность состоит в том, что любой такой материал должен взаимодействовать как с электрическими, так и с магнитными полями света. Большинство природных материалов слепы к магнитному полю на видимой и инфракрасной длинах волн. Предыдущие попытки метаматериала создали искусственные атомы, состоящие из двух составляющих - одного, который взаимодействует с электрическим полем, и одного - для магнитного.
Недостаток этого комбинированного подхода заключается в том, что отдельные составляющие взаимодействуют с разными цветами света, и, как правило, трудно заставить их перекрываться в широком диапазоне длин волн.
Отрицательное преломление
Одним из наиболее востребованных свойств метаматериалов является отрицательный показатель преломления света и других излучений. Отрицательное преломление основано на уравнениях, разработанных в 1861 году шотландским физиком Джеймсом Максвеллом.
Все известные природные материалы имеют положительный показатель преломления, поэтому свет, который переходит из одной среды в другую, слегка изгибается в направлении распространения. Например, воздух в стандартных условиях имеет самый низкий показатель преломления в природе - чуть выше 1. Показатель преломления воды составляет 1,33, алмаз около 2,4. Чем выше показатель преломления материала, тем больше он искажает свет от своего первоначального пути.
В некоторых метаматериалах, однако, возникает отрицательное преломление, так что свет и другое излучение отклоняются назад, когда входят в структуру.
Но только в начале 2000-х исследователи выяснили, как создавать материалы любого типа, которые могут достичь отрицательного преломления. Первые образцы метаматериалов были сделаны из массивов тонких проволок и работали только с микроволновым излучением.
С такими материалами с отрицательным преломлением становятся возможными многие применения в производстве электроники, литографии, биомедицине, изоляционных покрытиях, теплопередаче, космических применениях и, возможно, новых подходах к оптическим вычислениям и сбору энергии.
Увлекательные функциональные возможности метаматериалов обычно требуют нескольких комплектов слоев материала, что не только приводит к значительным потерям, но и создает много проблем в области нанотехнологий. Многие метаматериалы состоят из сложных металлических проволок и других конструкций, которые требуют сложной технологии изготовления и которые трудно собрать.
Необычные оптические эффекты не обязательно подразумевают использование объемных (3D) метаматериалов. Вы также можете управлять светом с помощью двумерных (2D) структур - так называемых метасоверхностей (или плоской оптики).
Метасоверхности - это тонкие пленки, состоящие из отдельных элементов, которые изначально были разработаны для преодоления препятствий, с которыми сталкиваются метаматериалы.
Пока что большинство изготовленных мета-поверхностей пассивны , что означает, что они не могут быть настроены после изготовления. Напротив, активные метасоверхности позволяют динамически контролировать свои оптические свойства под воздействием внешних раздражителей. Они могут быть полезны в приложениях от оптической связи в свободном пространстве до голографических дисплеев и определения глубины.
Одним из приложений метаматериала, представляющих особый интерес, является суперлинза , устройство, которое может обеспечить увеличение света на уровнях, которые затмевают любую существующую технологию.
Концепция «суперлинзы» вызвала значительный исследовательский интерес в области визуализации и фотолитографии с тех пор, как эта концепция была предложена еще в 2000 году.
Суперлинза позволяет просматривать объекты, намного меньшие, чем примерно 200 нанометров, что не позволяет обычная оптическая линза с видимым светом. Этот теоретический предел разрешения (предел дифракции) традиционной методологии оптического изображения был основным фактором, мотивирующим разработку методов сканирования с более высоким разрешением. Хотя сканирующие электронные микроскопы могут захватывать объекты намного меньшего размера, вплоть до одного нанометрового диапазона, но они дорогостоящие, тяжелые и очень большие по размеру.
Концепция суперлинзы основана на генерации поверхностных плазмонных поляритонов, усиливающих мимолётные поля, чтобы восстановить компоненты ближнего поля фурье-разложения исходного объекта, следовательно, нарушая дифракционный предел.
Поскольку суперлинзы продемонстрировали способность изображения с предельным дифракционным пределом, они рассматривались как перспективная технология для потенциальной нанофотолитографии. Уже литография superlens способна продемонстрировать требуемое разрешение при предельном дифракционном разрешении и высокую контрастность, требуемую для экономичного и высокопроизводительного массового производства нанопокрытий.
Оптический камуфляж-невидимка (или маскировка невидимости) - это технология, которая делает объект невидимым, заставляя падающий свет избегать объекта, обтекать объект и возвращать его в исходном направлении без помех.
Такое изощренное манипулирование светом, вероятно, будет реалистичным благодаря недавнему прогрессу в исследованиях метаматериалов. На сегодняшний день несколько научно-исследовательских институтов провели теоретическое и экспериментальное исследование маскировочных устройств-невидимок, используя необыкновенные оптические свойства метаматериалов и технику трансформации оптики.
Оптические камуфляжные устройства, разработанные с использованием трансформационной оптики, имеют замкнутую область, которую избегает падающий свет со всех сторон. Поэтому человек, скрывающийся в этом материале, кажется невидимым для посторонних. Однако никакой свет не может проникнуть в скрытую область, и, следовательно, человек, скрывающийся в ней, не сможет видеть что происходит снаружи. Это довольно неудобно для практического использования. Практичное камуфляжное устройство должно иметь однонаправленную прозрачность, чтобы человек внутри не был виден снаружи, но мог видеть снаружи.
Сродни метаматериалам, которые можно использовать для манипулирования волновыми явлениями, такими как радар, звук и свет, метаматериалы также способны контролировать звуки окружающей среды и структурные вибрации, которые имеют сходные формы волн.
Звуковые поля тонкой формы используются в медицинской визуализации и терапии, а также в широком спектре потребительских товаров, таких как звуковые прожекторы и ультразвуковые датчики.
Материалы с отрицательным модулем или отрицательной плотностью могут улавливать звуки или вибрации внутри структуры посредством локальных резонансов, поэтому они не могут переноситься через нее. Они также могут замедлять звук, что означает, что входящие звуковые волны могут быть преобразованы в любое необходимое звуковое поле.
