Олег Михеев
Фанат VR, гаджетов, хороших видеоигр, книг и фильмов.

Что такое метаматериалы и примеры их использования

© am Institut für Angewandte Physik - KIT
© am Institut für Angewandte Physik - KIT

Метаматериалы. Что это такое, спросите вы? Какая-то новая сверхпрочная ткань или что-то в этом роде? Не совсем. В сети можно найти много статей по данной теме. Но там все написано сухим, скучным научным языком, который может и доступен технарям, но гуманитариям вроде нас режет глаз. Постараюсь объяснить просто и доступно.

Итак, метаматериалы – это композитные (состоящие из нескольких компонентов) материалы, электромагнитные (например, оптические) и акустические (звуковые) свойства которых не встречаются в природе и сложнодостижимы технологически.

Таких уникальных особенностей можно достичь, внедряя в природный состав элементов искусственные периодические структуры. Чтобы было проще понять, это нечто вроде генного модифицирования для неорганических веществ: инженер меняет «код» материала и он приобретает нетипичные для себя свойства.

© techworld.idg.se
© techworld.idg.se

Человечество давно использует оптику, для управления светом. Сюда относятся очки, лазеры, телескопы. Эти приборы эффективны, но отличаются большими размерами. Сейчас же все стремятся перейти к компактным, наноразмерным устройствам.

Хорошие возможности для этого и предоставляют метаповерхности (двумерный аналог метаматериалов) – тонкие пленки из наночастиц, определенным образом размещенных на подложке. Метаповерхности особенно хорошо подходят для управления светом, поскольку процесс их изготовления более простой и дешевый.

Примеры метаматериалов и перспективы их использования в нашей жизни

Плащ-невидимка

Самым ярким примером использования метаматериалов является сказочный плащ-невидимка. Ученым Дэвиду Смиту, Дэвиду Шуригу из школы инжиниринга Пратта университета Дюка и Джону Пендри из Имперского колледжа Лондона удалось создать нечто подобное, правда, с серьезными оговорками.

Плащ из такого метаматериала отклоняет электромагнитные волны, так будто его не существует. Но пока это действует только в двухмерном пространстве при облучении объекта микроволнами, неразличимыми для человеческого глаза.

© Wired
© Wired

Однако это серьезный шаг вперед, буквально лет через 5 ученые на основе данного открытия создадут новый материал, который научится отклонять и видимый нами свет. И тогда толпы невидимок заполонят города, проникая в чужие квартиры и шпионя за другими людьми.

Вряд ли, конечно, ибо технология создания метаматериалов очень дорогая и простому потребителю окажется не по карману.

Но все же применение таким аксессуарам найдется. Начиная от банального развлечения и заканчивая маскировкой солдат и военной техники. Причем, вся соль в том, что обнаружить замаскированные объекты нельзя будет ни визуально, ни средствами радиоэлектронной разведки.

Суперлинза

© 5-tv.ru
© 5-tv.ru

Такие линзы имеют разрешение в разы превосходящее дифракционный предел. Проще говоря, микроскопы и другие приборы, оснащенные такими линзами, смогут показать нам такие мелкие частицы, которые ранее были недоступны для аналогичных приборов. Например, микроскопических микробов и вирусов, которые теоретически существуют, но увидеть их не удалось еще никому.

Терагерцевые приборы

Ученые из Калифорнийского университета разработали новый вид метаматериалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого спектра.

Это означает, что терагерцевые источники излучения можно будет использовать в новых приборах. Сфера их применения включает в себя: метеорологию и океанографию, создание радаров с новыми свойствами, универсальных «всепогодных» навигаторов, дистанционного оборудования для обнаружения оружия под одеждой, проверки качества деталей, наконец — в медицине, в качестве безвредной замены рентгену.

Иллюзорная стена

© Wisconsin Energy Institute - University of Wisconsin–Madison
© Wisconsin Energy Institute - University of Wisconsin–Madison

Китайские учёные придумали невидимость наоборот. Новые метаматериалы создают иллюзию того, что предметы больше, чем они есть на самом деле. С их помощью можно визуально увеличить стену и закрыть ей реально существующий дверной проем.

Еще одна вариация данной технологии называется Блеф-стеной. Она позволяет создавать стену или копию несуществующей военной техники, для того чтобы обмануть радары противника. Например, рядом с одной ракетой может лететь еще с десяток «виртуальных», сбивающих столку ПВО противника. Такой вариант уже применяется в ВС России.

Антизеркало

Использование метаматериалов позволило создать не существовавший ранее в природе тип отражающей поверхности.

Создатели антизеркала утверждают, что его необычные свойства могут пригодиться во многих экспериментах со светом, а также при создании новых типов фотодатчиков или элементов систем связи.

Антенная техника

Метаматериалы используют для изготовления подложек и излучателей в печатных антеннах для достижения широкополосности, уменьшения размеров антенных элементов и для увеличения эффективности антенной техники, в целом.

Управление звуком

© Русские Вести
© Русские Вести

С помощью метаматериалов можно управлять звуковыми волнами. Так с помощью одного из них исследователям удалось сфокусировать звук, словно свет в линзе. А затем заставить маленький шарик левитировать, удерживая его в воздухе пучком фокусированных звуковых волн.

Автоматический «Кубик Рубика»

©  Johannes Overvelde/Bertoldi Lab/Harvard SEAS
© Johannes Overvelde/Bertoldi Lab/Harvard SEAS

Еще одно изобретение представляет собой кубическую конструкцию из метаматериалов, способную автоматически самоперестраиваться, изменяя при этом не только свою форму, но и объем.

Оптический пинцет

В современных лабораториях такие пинцеты уже используются. С их помощью можно захватывать объекты микронного или субмикронного размера для исследования взаимодействия частиц микромира.

Микроэлектроника

© Nación Farma
© Nación Farma

В будущем метаматериалы позволят создавать микроэлектронные устройства, которые будут иметь меньшие размеры и отличаться увеличенной производительностью. Это станет достижимо благодаря отказу от электронов как носителей информации в пользу фотонов (квантов электромагнитного излучения).

Сверхмощный лазер

© www.xuehua.us
© www.xuehua.us

В теории, открытие новых метаматериалов позволит создавать супермощные лазерные установки, Те, в свою очередь, при уменьшенной потребляемой мощности будут выдавать такой сильный световой импульс, который можно будет использовать как оружие.

На производстве такие лазеры смогут заменить работу циркулярных пил и газосварочного оборудования.

И, наконец, новые лазерные установки позволят проектировать новые промышленные 3D принтеры. Это приведет к угасанию металлообрабатывающей отрасли, в том виде, в каком она существует сейчас.

Заключение

Не сложно предсказать, каким образом создание новых метаматериалов повлияет на дальнейшее развитие человеческой цивилизации. Фотонные техника в тысячи раз увеличит вычислительные мощности компьютерной техники, что ускорит технический прогресс и станет еще одной ступенькой к достижению технологической сингулярности.