Какими свойствами обладают метаматериалы кратко

Обновлено: 20.05.2024

Метаматериалы — это специальные композиционные материалы, которые получаются искусственной модификацией внедряемых в них элементов. Изменение структуры осуществляется на наноуровне, что дает возможность менять размеры, формы и периоды решетки атома, а также иные параметры материала. Благодаря искусственному преобразованию структуры модифицированный объект приобретает совершенно новые свойства, которых нет у материалов природного происхождения.

Благодаря вышеуказанному преобразованию модифицируется магнитная, диэлектрическая проницаемость, а также иные физические показатели выбранного объекта. В результате преобразованные материалы приобретают уникальные оптические, радиофизические, электрические и иные свойства, которые открывают широкие перспективы для развития научного прогресса. Работы в данном направлении могут привести к появлению совершенно новых устройств и изобретений, которые будут поражать воображение. Это плащи невидимки, суперлинзы и многое другое.

Метаматериалы принято классифицировать по степени преломления:

Одномерные . В них степень преломления постоянно меняется лишь в единственном направлении пространства. Подобные материалы выполнены из слоев элементов, расположенных параллельно и имеющих отличающиеся степени преломления. Они способны демонстрировать уникальные свойства лишь в единственном направлении пространства, которое перпендикулярно указанным слоям.
Двухмерные . В них степень преломления постоянно меняется лишь в 2-х направлениях пространства. Подобные материалы в большинстве случаев выполнены из прямоугольных структур, имеющих преломление m1, и располагающихся в среде с преломлением m2. В то же время элементы с преломлением m1 располагаются в 2-х мерной решетке с кубической основой. В результате подобные материалы способны демонстрировать свои свойства в 2-х направлениях пространства. Но двухмерность материалов не ограничивается только прямоугольником, она может быть создана с помощью круга, эллипса или иной произвольной формой.
Трехмерные . В них степень преломления постоянно меняется в 3-х направлениях пространства. Подобные материалы условно можно представить в виде массива областей в объемном значении (эллипс, куб и так далее), расположенных в трехмерной решетке.

Метаматериалы также делятся на:

Проводники . Они перемещают квазичастицы на значительные длины, но с небольшими потерями.
Диэлектрики . Представляют зеркала почти идеального состояния.
Полупроводники . Это элементы, которые могут, к примеру, отражать квазичастицы только некоторой длины волны.
Сверхпроводники . В этих материалах квазичастицы могут перемещаться почти на неограниченные расстояния.

К тому же существуют материалы:

Отличие резонансных материалов от элементов нерезонансного типа в том, что у них возникает диэлектрическая проницаемость лишь на определенной частоте резонанса.

Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами. Поэтому их делят по их относительной проницаемости:

DNG, то есть double negative — проницаемости отрицательные.
DPS, то есть double positive — проницаемости положительные.
Hi-Z, то есть high impedance surfaces (высокоомные поверхности).
SNG, то есть single negative — материалы смешанного типа.
DZR, то есть double zero – материал имеет проницаемость равной нулю.

Устройство

Метаматериалы представляют вещества, свойства которых обеспечиваются микроскопической структурой, внедряемой людьми. Они синтезируются включением в заданный элемент природного происхождения периодических структур с разнообразными формами геометрии, модифицирующие магнитную и диэлектрическую восприимчивость исходной структуры.

Условно подобные включения можно рассмотреть в качестве искусственных атомов, которые имеют довольно большие размеры. Во время синтезирования у создателя материала имеется возможность придать ему различные параметры, которые базируются на форме и размерах структур, переменности периода и тому подобное. Благодаря этому можно получать материалы, которые имеют удивительные свойства.

Одним из наиболее известных подобных элементов являются фотонные кристаллы. Их особенность проявляется периодической сменой степени преломления в пространстве в одном, двух и трех направлениях. Благодаря указанным параметрам материал может иметь зоны, которые могут получать или не получать энергию фотонов.

В результате, если на указанное вещество отпускается фотон, имеющий определенную энергию (требуемой частоты и длины волны), несоответствующей зоне указанного кристалла, то он отражается в противоположном направлении. Если же на кристалл попадает фотон с параметрами, которые отвечают параметрам разрешенной зоны, то он перемещается по нему. По-другому, кристалл выступает в виде оптического фильтрующего элемента. Именно поэтому указанные кристаллы имеют невероятно сочные и яркие цвета.

Принцип действия

Главной особенностью искусственно образованных материалов является периодичность их структуры. Это может быть 1D, 2D или 3D структура. Фактически они могут иметь самую разную структуру. К примеру, их можно расположить в качестве диэлектрических элементов, между которыми будут находиться разомкнутые проволочные кольца. При этом кольца могут быть передеформированы из круглой в квадратную.

Чтобы свойства электрического характера сохранялись в любых частотах, кольца структурируются замкнутыми. К тому же кольца в веществе часто располагаются случайно. Реализация уникальных параметров нового вещества происходит при резонансе его частоты, а также действующей частоты электромагнитной волны извне.

Применение

Метаматериалы находят и будут находить широчайшее применение во всех сферах, где применяется электромагнитное излучение. Это медицина, наука, промышленность, космическое оборудование и многое другое. Сегодня создается огромное количество электромагнитных материалов, которые уже находят применение.

В радиофизике и астрономии используются специальные покрытия, которые находят отличное применение с целью защиты телескопов либо сенсоров, применяющих длинноволновое излучение.
В оптике дифракционное преломление также находит широчайшее применение. К примеру, уже создана суперлинза, которая позволяет решить проблему дифракционного предела разрешения стандартной оптики. В результате первый экспериментальный образец линзы продемонстрировал феноменальные показатели, его разрешение было в 3 раза выше существующего дифракционного предела.

В микроэлектронике метаматериалы могут произвести настоящую революцию, которая может изменить жизнь практически каждого человека на Земле. Так могут появиться на порядок меньшие и невероятно эффективные устройства и антенны для мобильников. Благодаря новым материалам удастся расширить плотность хранения данных, а значит, появятся диски и многие другие электронные устройства, которые смогут иметь значительный объем памяти;
Создание невероятно мощных лазеров. Благодаря применению материалов с измененной структурой уже появляются мощные лазеры, которые при меньшей потребляемой энергии выдают на порядок мощный и разрушительный световой импульс. В результате может появиться лазерное оружие, которое позволит сбивать баллистические ракеты, находящихся на расстоянии в десятки километров.

Промышленные лазеры смогут качественно разрезать не только металлические материалы толщиной в несколько десятков миллиметров, но и на порядок большей величины.

Благодаря новым лазерным установкам будут появляться новые промышленные 3d принтеры, которые смогут быстро и с высоким качеством печатать металлические изделия. По своим качествам они практически не будут уступать изделиям, произведенным с применением типичных методов металлообработки. К примеру, это может быть шестерня или иная сложная деталь, на изготовление которой в обычных условиях потребуется затратить много времени и сил.

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.

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.

Первые работы по созданию метаматериалов велись еще в 19 веке. Например, В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провёл первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривлённой конфигурации.

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.

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

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.

Иллюзорная стена

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.

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.

Метаматериалы, это специальные композиционные материалы, которые получаются, путём искусственной модификации внедряемых в них элементов. Изменение структуры осуществляется на наноуровне, что дает возможность менять размеры, формы и периоды решетки атома, а также иные параметры материала.

Благодаря искусственному преобразованию структуры, модифицированный объект приобретает совершенно новые свойства, которых нет у материалов природного происхождения.

Благодаря вышеуказанному преобразованию модифицируется магнитная, диэлектрическая проницаемость, а также иные физические показатели выбранного объекта.

В результате преобразованные материалы приобретают уникальные оптические, радиофизические, электрические и иные свойства, которые открывают широкие перспективы для развития научного прогресса. Работы в данном направлении могут привести к появлению совершенно новых устройств и изобретений, которые будут поражать воображение.

Виды и классификация метаматериалов

Метаматериалы принято классифицировать по степени преломления:

В них степень преломления постоянно меняется лишь в единственном направлении пространства. Подобные материалы выполнены из слоев элементов, расположенных параллельно и имеющих отличающиеся степени преломления. Они способны демонстрировать уникальные свойства лишь в единственном направлении пространства, которое перпендикулярно указанным слоям.

В них степень преломления постоянно меняется лишь в 2-х направлениях пространства. Подобные материалы в большинстве случаев выполнены из прямоугольных структур, имеющих преломление m1, и располагающихся в среде с преломлением m2. В то же время элементы с преломлением m1 располагаются в 2-х мерной решетке с кубической основой. В результате подобные материалы способны демонстрировать свои свойства в 2-х направлениях пространства. Но двухмерность материалов не ограничивается только прямоугольником, она может быть создана с помощью круга, эллипса или иной произвольной формой.

В них степень преломления постоянно меняется в 3-х направлениях пространства. Подобные материалы условно можно представить в виде массива областей в объемном значении (эллипс, куб и так далее), расположенных в трехмерной решетке.

Метаматериалы также делятся на:

Проводники. Они перемещают квазичастицы на значительные длины, но с небольшими потерями.
Диэлектрики. Представляют зеркала почти идеального состояния.
Полупроводники. Это элементы, которые могут, к примеру, отражать квазичастицы только некоторой длины волны.
Сверхпроводники. В этих материалах квазичастицы могут перемещаться почти на неограниченные расстояния.

К тому же существуют материалы:

Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами. Поэтому их делят по их относительной проницаемости:

DNG, то есть double negative — проницаемости отрицательные
DPS, то есть double positive — проницаемости положительные
Hi-Z, то есть high impedance surfaces (высокоомные поверхности)
SNG, то есть single negative — материалы смешанного типа
DZR, то есть double zero – материал имеет проницаемость равной нулю

Устройство метаматериалов

Метаматериалы

Применение метаматериалов

Метаматериалы находят и будут находить широчайшее применение во всех сферах, где применяется электромагнитное излучение. Это медицина, наука, промышленность, космическое оборудование и многое другое. Сегодня создается огромное количество электромагнитных материалов, которые уже находят применение.

Да, темпы развития технологий всем известны, поэтому становится возможным воплощать теорию прошлых лет в реальность. Если ранее, некоторые высказвания могли рассмешить общество, как когда-то не поверили Пифагору, что Земля имеет круглую форму, так и в начале ХХ века — доказательство возможности отрицательного коэффициента преломления не убедило учёных.
Действительно, как?
А через несколько десятков лет, когда впервые получилось добиться отрицательного коэффициента преломления, теория всплыла снова и уже в другом течении.

Собственно, то, о чём я бы хотел рассказать, основывается на теории метаматериалов.

В средах с отрицательным коэффициентом преломления будет наблюдаться обращенный допплер-эффект и эффект Вавилова-Черенкова, т.е. происходит обращение фазовой скорости.

В первом случае источник света(излучения) находится слева от видеоролика

Во втором случае — справа

Также, оптические свойства, присущие рассеивающим и собирательным линзам меняются друг относительно друга, за счёт отрицательного коэффициента преломления.

Что это всё даёт:

Читайте также: