Отрицательный показатель преломления, отрицательный тепловой коэффициент расширения… Возможно?
Что такое метаматериал
Метаматериал — это искусственно созданная композитная среда, свойства которой определяются не столько химическим составом компонентов, сколько периодическим расположением микро-структур — мета-атомов. Каждый атом состоит из одного или нескольких веществ и по отдельности необычных свойств не проявляет. Но если размер мета-атомов меньше длины волны излучения, то электромагнитная волна (например, свет) взаимодействует со структурой как со сплошной средой с неожиданными свойствами.
Эффективные электромагнитные или механические параметры метаматериалов могут находиться в диапазонах, которые в природе и вовсе могут не существовать.
Метаматериалы и оптика
Отрицательный показатель преломления
В метаматериалах может быть реализован отрицательный показатель преломления, который до их изобретения считался невозможным. На границе двух сред свет при переходе из менее оптически плотной среды в более плотную не преломляется, как обычно, уменьшая угол с перпендикуляром к поверхности раздела, а идет в другом направлении:
Такое свойство полностью меняет результаты взаимодействия света с оптическими элементами: выпуклые линзы из метаматериалов перестают фокусировать, а получать изображение теперь можно с помощью плоской пластины, еще и лучшего качества!
Суперлинза и преодоление дифракционного предела
В 2000 году Джон Пендри опубликовал в Physical Review Letters теоретическое обоснование возможности преодоления дифракционного предела в материалах с отрицательным показателем преломления. В среде с положительным показателем преломления затухающие волны, несущие информацию о мелких деталях объекта, экспоненциально затухают и не участвуют в формировании изображения. Пендри показал, что в среде с отрицательным показателем преломления амплитуда этих волн не затухает, а, напротив, возрастает по мере удаления от объекта, что позволяет восстановить их вклад и получить изображение с разрешением, не ограниченным классическим дифракционным пределом.
Насколько быстро теория перешла в практику?
Экспериментальная реализация суперлинз
Первое экспериментальное подтверждение было получено на микроволнах: суперлинза продемонстрировала разрешение, втрое превышающее дифракционный предел.
В оптическом диапазоне суперлинза была создана в 2005 году группой Сян Чжана (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли. Она была изготовлена на основе тонкого слоя серебра и работала за счет усиления затухающих волн при возбуждении поверхностных плазмонов на границе раздела сред. Такой подход позволил достичь разрешения до 60 нанометров, что составляет примерно одну шестую длины волны используемого УФ-излучения (365 нм).
Ближний инфракрасный диапазон
Метаматериалы для ближнего инфракрасного диапазона были, наоборот, объемными. В одном из вариантов использовалась многослойная структура, состоящая из чередующихся нанометровых слоев серебра и фторида магния, нанесенных на подложку. Нарезав после изготовления нанорешетку, ученые получили трехмерный композит с отрицательным показателем преломления.
Второй подход заключался в электрохимическом выращивании массивов нанопроводников в пористой подложке из оксида алюминия.
Видимый диапазон
В начале 2007 года было объявлено о создании метаматериала, демонстрирующего отрицательный показатель преломления в видимой области спектра.
Механика и метаматериалы
Особый класс метаматериалов составляют структуры, демонстрирующие аномальные механические характеристики, не встречающиеся у природных материалов. Классическим примером являются ауксетики — материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона. В отличие от обычных веществ, которые сужаются при растяжении, ауксетики расширяются в направлении, поперечном приложенной нагрузке. Типичная реализация такой структуры основана на геометрии вогнутых сот.
Аддитивные технологии
Развитие методов микро- и нанопрототипирования, в частности аддитивных технологий, открыло широкие возможности для практической реализации метаматериалов. Например, метаматериалы с программируемой жесткостью.
Иерархические ауксетики и их применение
Особый интерес в современном материаловедении вызывает подкласс иерархических ауксетичных структур. Наличие нескольких уровней организации (иерархии) позволяет более гибко настраивать целевые механические характеристики: пористость, жесткость и другие.
Благодаря этому иерархические ауксетики рассматриваются как перспективные материалы для ряда биомедицинских приложений. Среди активно обсуждаемых областей применения — разработка коронарных стентов, систем фильтрации, имплантатов с модулируемой пористостью, а также устройств контролируемой доставки лекарственных препаратов. Подробнее можно прочитать в обзоре по ссылке.
Подписывайтесь на наш канал и читайте наши подборки о лазерах и технологиях.
Лазерные технологии в ЛАССАРД
Если вы хотите увидеть лазерные технологии в действии, то приезжайте к нам в шоурум. Мы покажем, как лазерные технологии работают на практике в станках для резки, сварки, маркировки, очистки и упрочнения.
Наши контакты:
📱 Сайт
📱 Интернет-магазин оптико-механических изделий и оптических столов
👥 ВК
📺 RUTUBE
🏭 Наше производство и шоурум: ОЭЗ «Технополис Москва», 109316, Россия, Москва, Волгоградский проспект, д. 42, корп. 5, пом. 1Н
📞 Наш телефон: +7 495 120 68 86
✉️ Наша почта: sales@lassard.ru