Вторник, 29 ноября, 2022

Я знаю точно, невозможное возможно: что такое метаматериалы

Время на чтение 5 мин.

Греческая приставка «мета-» означает вне, сверх. Метаматериалы — это «сверхматериалы», чьи свойства не встречаются в природе. Они настолько удивительны, что в 2010 году журнал Science даже включил метаматериалы в список инсайтов десятилетия. Разбираемся, что же это такое и как оно поможет в народном хозяйстве.

Что-то невозможное

В контексте метаматериалов, как правило, говорят об их необычном взаимодействии с электромагнитными волнами (хотя ниже мы поговорим и о других). Чтобы понять, что происходит внутри метаматериала, вспомним немного теоретической физики.

Электромагнитные волны — это широкий диапазон, который включает в себя, например, радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновское излучение. Скорость этих волн в вакууме постоянна — 300 тысяч км/с. Но когда свет попадает в какую-то другую среду (например в воду или воздух), то его скорость уменьшается — в воде она составляет уже 225 тысяч км/с. Это происходит потому, что волна взаимодействует с частицами, из которых состоит сама среда. Кроме того, по той же причине электромагнитная волна отклоняется от первоначального пути, иными словами, преломляется.

Углы преломления при переходе из одной среды в другую рассчитываются по формулам. Для любых природных материалов эти углы всегда положительные. Однако законы физики не запрещают им быть отрицательными. А раз так, то что нам мешает создать материал с такими свойствами?

Я знаю точно, невозможное возможно: что такое метаматериалы
Если бы у воды был отрицательный коэффициент преломления. Изображение: materialdistrict.com

Свойства метаматериалов зависят не от того, из каких элементов он состоит, а от того, как эти элементы расположены. Для создания метаматериалов используют композиты из металлов и пластиков, в которых элементы структурированы в повторяющиеся паттерны, а их размер меньше, чем длина волны, с которой этот материал не должен взаимодействовать. Таким образом волны можно поглощать, блокировать или отклонять.

Материал-невидимка

Большое количество научных групп сейчас сосредоточились на изучении метаматериалов, взаимодействующих с электромагнитными волнами. В первую очередь эти разработки направлены на создание эффективной маскировки, в идеале — полностью невидимых объектов.

Из-за того, что метаматериал обеспечивает отрицательный коэффициент преломления, его применение может скрыть объекты в одном из диапазонов электромагнитной волны. Так можно получить «невидимые» для радаров корабли и самолеты, чему, безусловно, очень обрадуются военные.

Я знаю точно, невозможное возможно: что такое метаматериалы
Метаматериал, обеспечивающий отрицательный коэффициент преломления. Фото: Wikipedia

Разумеется, проще всего сделать метаматериал для волн большой длины. Чем длина меньше, тем сложнее, поскольку структурные элементы, как мы помним, должны быть короче волны. Кроме того, метаматериал может взаимодействовать только с одним диапазоном. Так, первый из метаматериалов, работавших с видимым светом, был создан в 2007 году и предназначался только для красного цвета. Если мы хотим сделать объект невидимым сразу в нескольких диапазонах (например, и в радио, и в микроволновом), то нам нужно несколько метаматериалов с разными свойствами.

Поэтому создать плащ-невидимку, как у Гарри Поттера, технически пока невозможно. Для этого понадобится некий «композит» из метаматериалов для каждой длины волны видимого спектра, которые должны «работать» синхронно.

А вот то, что возможно, это создание суперлинз, которые могут видеть объекты, меньшие, чем дифракционный предел. Такую возможность описал Джон Пендри, который со своей командой развил теоретические изыскания советского физика Виктора Веселаго.

Из-за дифракции все линзы имеют границу «видимости»: если размер объекта меньше определенного предела, то увидеть его физически невозможно. Однако в 2005 году была продемонстрирована суперлинза, которая позволила увидеть объект размером 60 нанометров, тогда как дифракционный предел обычной линзы — 400 нанометров.

Благодаря метаматериалам можно создать оптическую черную дыру — объект, который будет поглощать электромагнитные волны. Такая разработка даст толчок развитию фотовольтаики, позволив создать очень эффективные солнечные панели.

Уже существуют и продаются антенны, сделанные с использованием метаматериалов. Они мощнее и меньше по размерам, чем обычные.

Фантастические свойства и где они обитают

Как упоминалось выше, метаматериалы могут взаимодействовать не только с электромагнитными волнами. Так, в 2019 году группа исследователей из Бостонского университета представила метаматериал, который поглощает звуковые волны. Физика взаимодействия здесь такая же, как и в случае с электромагнитными волнами. Новый материал как бы «запирает» 94 % звука внутри. Разработка пригодится, разумеется, военным, которые смогут сделать свои машины для убийства тише, и всем, страдающим от шумных соседей.

Удивительно, но так же, как и акустические, можно поглощать сейсмические волны. Такие материалы найдут применение в районах, страдающих от частых землетрясений, и смогут снизить ущерб от разрушений.

Структурные метаматериалы любопытны тем, что их элементы организованы по принципу строительных балок или ферм. Производятся они методом микростереолитографии — по сути, 3D-печати, только микроскопических размеров. Таким образом можно получить ультралегкий, но при этом ультрапрочный материал — например такой, который может выдержать вес, в 160 тысяч раз превышающий собственный.

Я знаю точно, невозможное возможно: что такое метаматериалы
Элемент структурного метаматериала. Изображение: science.spb.ru

Развитие метаматериалов только начинается, но уже сейчас понятно, что они дадут нам совершенно фантастические свойства и, вполне возможно, изменят наш мир до неузнаваемости.

Другие статьи

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь

Enter Captcha Here : *

Reload Image