Метаматериалы для "чайников"
Стекольщикова Ольга Андреевна
Введение
- Актуальность: тема работы актуальна, так как благодаря метаматериалам появляются новые технологии, помогающие усовершенствовать жизнь человека. Также разработка и применение метаматериалов является перспективным направлением исследований и развития прикладной физики.
- Проблема проекта: Современный школьный курс физики не отражает новых направлений в развитии науки, а эти направления вызывают постоянный интерес обучающихся. Строение метаматериалов является технически сложным для объяснения.
- Разработанность исследуемой проблемы: в электронных ресурсах пока мало информации по представленной теме, в связи с новизной данной технологии, однако начало работ с области создания метаматериалов относятся к концу 19 века. В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой. Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.
- Цель: на доступном обучающимся уровне рассказать и показать строение метаматериалов, а также рассказать о влиянии метаматериалов на нашу жизнь в настоящем и будущем.
- Задачи:
- Показать строение метаматериала.
- Рассказать о нынешних и о возможных в будущем применениях метаматериалов.
- Рассказать про историю открытия метаматериалов.
Начав читать книгу Митио Каку «Физика невозможного», подтема про метаматериалы заинтересовала меня, и я решил углубиться в неё.
Глава I
Определение
Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложно достижимыми технологически, либо не встречающимися в природе. Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например, отрицательные по величине значения как диэлектрической, так и магнитной проницаемостей, пространственную структуризацию (локализацию) распределения величин этих параметров (в частности, периодическое изменение коэффициента преломления как у фотонных кристаллов), наличие возможности управления параметрами среды в результате внешних воздействий (метаматериалы с электрически управляемой диэлектрической и магнитной проницаемостями) и т. д.
Приставка «мета-» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов. Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми разными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую {\displaystyle \chi _{e}} и магнитную восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесённые в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).
История метаматериалов
Первые работы в этом направлении относятся ещё к XIX веку. В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провёл первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривлённой конфигурации. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду. В 1946–1948 гг. Уинстон Е. Кок впервые создал микроволновые линзы, используя проводящие сферы, диски и периодически расположенные металлические полоски, фактически образовавшие искусственную среду со специфичным по величине эффективным индексом преломления. Детальное описание истории вопроса можно найти в работе В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна, а также в публикациях Вадима Слюсаря. В большинстве случаев история вопроса о материалах с отрицательным коэффициентом преломления начинается с упоминания работы советского физика Виктора Веселаго, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» в 1967 году. В статье рассказывалось о возможности существования материала с отрицательным коэффициентом преломления, который был назван «левосторонним». Автор пришёл к заключению, что с таким материалом почти все известные оптические явления распространения волн существенно изменяются, хотя в то время материалы с отрицательным коэффициентом преломления ещё не были известны. Здесь, однако, следует заметить, что в действительности значительно раньше такие «левосторонние» среды обсуждались в работе Сивухина и в статьях Пафомова.
В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, которые называются метаматериалами. Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.
Веселаго предсказал, что определённые оптические явления будут совершенно другими в материалах с отрицательным коэффициентом преломления.
Возможно, самым поразительным из них является рефракция — отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред. В нормальных условиях волна появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно этой границе (нормаль к поверхности). Нормаль в геометрии — обобщение понятия перпендикуляра к прямой или плоскости на произвольные гладкие кривые и поверхности. Однако, если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой — отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали к поверхности, что и приходящая волна.
Свойства
Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент (показатель) преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей.
Примерами метаматериалов, обладающими необычными механическими свойствами, являются ауксетики (материалы, имеющие отрицательные значения коэффициента Пуассона – величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению), созданные на основе "вывернутой пчелиной соты" и слоистые материалы, обладающие, при специальном подборе характеристик слоев, отрицательным коэффициентом расширения поперек слоев.
[4]
Также особым свойством метаматериалов является сильная дисперсия. Дисперсия волн — в физике зависимость фазовой скорости волны от её частоты.
Основные эффекты
Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:
Отрицательный показатель преломления позволяет метаматериалам в корне изменять направление волны, что показано на картинке, тем самым обеспечивается обман человеческого глаза
[1]
Принцип работы
Как правило, показатель преломления - величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем продолжает двигаться по прямой. Но предположим на мгновение, что мы в состоянии управлять показателем преломления, так чтобы в каждой точке он мог постоянно изменяться заданным образом. Свет, двигаясь в таком новом материале, мог бы произвольным образом менять направление; путь луча в этой среде извивался бы, подобно змее.
Если бы можно было управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то объект этот станет невидимым. Для получения такого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, но в любом учебнике оптики сказано, что это невозможно.
Впервые метаматериалы были теоретически предсказаны в работе советского физика Виктора Веселаго в 1967 г. Именно Веселаго показал, что эти материалы должны обладать такими необычными оптическими свойствами, как отрицательный показатель преломления и обратный эффект Доплера. Метаматериалы представляются настолько странными и даже нелепыми, что первое время их практическая реализация считалась попросту невозможной. Однако в последние несколько лет метаматериалы были-таки получены в лаборатории, что вынудило физиков заняться переписыванием учебников по оптике.
Исследователям, которые занимаются мета материалами, постоянно докучают журналисты с вопросом: когда на рынке появятся наконец плащи-невидимки? Ответ можно сформулировать очень просто: не скоро.
Дэвид Смит из Университета Дьюка рассказывает: «Репортеры звонят и умоляют хотя бы назвать срок. Через сколько месяцев или, скажем, лет это произойдет. Они давят, давят и давят, и ты в конце концов не выдерживаешь и говоришь, что лет, может, через пятнадцать. И тут же — газетный заголовок, да? Пятнадцать лет до плаща Гарри Поттера». Вот почему он теперь отказывается называть какие бы то ни было сроки.
В общем случае размеры внутренних структур, внедренных в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. К примеру, микроволны могут иметь длину волны порядка 3 см, поэтому если мы хотим, чтобы метаматериал искривлял путь микроволн, мы должны внедрить в него имплантаты размером меньше 3 см. Но чтобы сделать объект невидимым для зеленого света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм.
Но нанометры — это уже атомный масштаб, для работы с такими размерами требуются нанотехнологии. (Нанометр — это одна миллиардная часть метра. В одном нанометре может уместиться примерно пять атомов.) Возможно, это ключевая проблема, с которой нам придется столкнуться при создании настоящего плаща-невидимки. Чтобы произвольно искривлять, подобно змее, путь светового луча, нам пришлось бы модифицировать отдельные атомы внутри метаматериала.
Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, т. е. позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. К примеру, в основе миниатюризации компьютеров лежит технология «фотолитографии»; она же служит двигателем компьютерной революции. Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов.
Заметной вехой на пути к невидимости стал недавний эксперимент группы ученых из Германии и Министерства энергетики США, в котором процесс травления кремниевой подложки удалось использовать для изготовления первого метаматериала, способного работать в видимом диапазоне света. В начале 2007 г. ученые объявили, что созданный ими метаматериал оказывает воздействие на красный свет. «Невозможное» было реализовано в удивительно короткие сроки.
Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления -0,6 для красного света с длиной волны 780 нм. (До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось «завернуть» при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не видимый, а инфракрасный свет.)
Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил -0,6.
Авторы предвидят, что изобретенная ими технология найдет широкое применение. Метаматериалы «могут когда-нибудь привести к созданию своего рода плоской суперлинзы, работающей в видимой части спектра, — говорит д-р Сукулис. — Такая линза позволит получать более высокое разрешение по сравнению с традиционной технологией и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны». Очевидно, одним из первых приложений «суперлинзы» станет фотографирование микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь может идти о фотографировании внутри живой человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери. В идеале появится возможность сфотографировать компоненты молекулы ДНК непосредственно, без применения грубых методов рентгеновской кристаллографии.
Виды
Метаматериалы принято классифицировать по степени преломления:
- Одномерные
- Двухмерные
- Трёхмерные
Применение
Было объявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области, способном скрыть трёхмерный объект. Материал состоит из золотых наноантенн с подложкой из золота и фторида магния. Использование метаматериалов в создании маскировочной умной одежды для военных более перспективно, чем альтернативные подходы.
Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки. Тем не менее, существующие метаматериалы только в первом приближении имеют отрицательный показатель преломления, что приводит к значительным вторичным переизлучениям.
Значительно растет интерес к использованию метаматериалов в радиотехнических приложениях и, в частности, в антенной технике. Основные области их применения: изготовление подложек и излучателей в печатных антеннах для достижения широкополосности и уменьшения размеров антенных элементов; компенсация реактивности электрически малых антенн в широкой полосе частот, в том числе превышающей фундаментальный предел Чу-Харригтона – связь между минимальной принципиально достижимой добротностью антенны и радиусом воображаемой сферы, охватывающей эту антенну; достижение узкой пространственной направленности элементарных излучателей, погруженных в метасреду; изготовление антенн поверхностной волны; уменьшение взаимного влияния между элементами антенных решеток, в том числе в MIMO-устройствах; согласование рупорных и других типов антенн.
MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн.
[2]
В таких материалах не столько важен химический состав, сколько строение.
С помощью метаматериалов улучшаются стелс технологии для самолётов.
Метаматериалы особенны не только своим свойством преломлять свет, но и могут быть крайне прочными, при маленькой массе и количестве используемых материалов, потому что в таких конструкциях, большую часть занимает обычный воздух и такой материал сможет быть настолько лёгким, что его удержит даже одуванчик [3]
Метаматериалы представленные нанорешётками будут выступать хорошими имплантами для заменены заражённой раком части кости. Такой имплант будет крайне лёгок и прочен, а костная ткань будет проще образовываться, чем в аналогичных имплантах. Однако, такой метаматериал пока не может быть использован в промышленных масштабах из-за долгого и дорогого производства.
Метаповерхности
Двумерный аналог метаматериалов — метаповерхности. Метаповерхности особенно хорошо подходят для управления светом, поскольку потери в них, как правило, меньше, чем в объёмных метаматериалах, а изготовление — проще.
Метаповерхность, используемая в качестве линзы для света, называется металинзой. Она имеет небольшие размеры, плоскую форму, толщину, не превышающую микрометр, покрыта наноструктурами в виде выступов или отверстий.
Глава II
Продукт
Главной задачей проекта является создание продукта. Моим продуктом является модель метаматериала, оригиналу которого стремятся придать свойство изменять направления оптических волн. Однако, сейчас полные манипуляции с ними являются утопией, но даже нынешние свойства метаматериалов невозможно повторить школьнику в домашних условиях и в целом. Поэтому моя модель отражает лишь возможный вариант визуального представления данного вида метаматериалов.
Так выглядит моя модель метаматериала:
В качестве образца я брал следующую картинку:
[6]
Обзор источников
Первоначальным источником послужила книга Митио Каку «Физика невозможного», далее в статьях:
- Википедии
- Метаматериалы и невидимость. – ik.ptz.ru
- Семь открытий, которые в ближайшие 10 лет изменят нашу жизнь из цикла НАУКА В ФОКУСЕ на «Эхо Москвы», дек 2014
- Метаматериалы. Перспективы практического использования. - Power Coup Electric
- Материалы будущего: первые на рынке изделия из метаматериалов, https://bezopasnik.info
Заключение
В данном проекте я раскрыл всевозможные стороны метаматериалов: строение, применение и историю возникновения, а также прочие дополнительные подтемы. Моя работа носит просветительский характер, она вводит читателя и/или слушателя в курс новой тенденции в технологиях материалов – метаматериалов. Их свойства и функции (изменение коэффициента преломления лучей, лёгкость и прочность) смогут обеспечить данным материалам развитие и спрос в будущем. Я считаю, что эта работа имеет перспективу на продолжение, например, внесение новых вариантов применения, а также расширение информации о новых свойствах и видах метаматериалов.
