Co się kryje w strukturze

Supersoczewki naginające prawa fizyki, pelerynki-niewidki, maleńkie anteny, wielokrotnie mniejsze, że niż jakiekolwiek istniejące obecnie – i wiele, wiele więcej. A to tylko potencjał metamateriałów optycznych. Dzisiaj, po dziesięciu latach, od położenia pierwszych teoretycznych podwalin przez Johna Pendry’ego, metamateriały zaczynają być badane nie tylko pod kątem wykorzystania fal elektromagnetycznych, ale także i dźwiękowych, a nawet fal sejsmicznych*.

Praktyczna historia metamateriałów ma zaledwie dekadę, ale pierwsze dywagacje na ten temat sięgają późnych lat 60. ubiegłego stulecia. Wtedy to rosyjski fizyk Wiktor Veselago opublikował pracę, która szybko zginęła w odmętach dziejów – w publikacji tej hipotetyzował on, że możliwe jest istnienie materiałów o ujemnym współczynniku załamania. Żeby zrozumieć choć trochę, co jest w tym szczególnego, wyobraźcie sobie słomkę w szklance wody. Gdy spojrzycie na nią z boku, część słomki zanurzona w wodzie wydaje się być oddzielona od części wystającej nad powierzchnią i przesunięta względem niej. Gdyby woda miała ujemny współczynnik załamania światła, wyglądałoby to natomiast tak:

Po prawej - substancja z ujemnym współczynnikiem załamania światła./ Za zgodą Macmillan Publishers: Nature 455, 299-300 ©2008

Veselago postulował istnienie takich materiałów – jedynym warunkiem było, ot tak prosto, posiadanie przez nich ujemnych przenikalności magnetycznej i elektrycznej.

I, jak powiedziałem, koncept obumarł. Aż do późnych lat 90. i wczesnych 2000, kiedy to John Pendry z Imperial College London opisał węglowe nanorurki pochłaniające fale radiowe. Ta ciekawa właściwość oddziaływania nanorurek na fale elektromagnetyczne zaciekawiła go i ostatecznie doprowadziła do współpracy z Davidem Smithem z University of California, która to współpraca zaowocowała pierwszymi metamateriałami. Wkrótce po nich runęła lawina – a wraz z lawiną materiałów, lawina zastosowań.

Wiele metamateriałów jest zresztą oparte właśnie o struktury nanorurek, nanodrutów czy innych nano-struktur węglowych. Właściwości zaś ich wynikają w dużej mierze nie ze struktury molekularnej, ale z ich kształtu czy struktury w nieco większej skali – taki praktyczny odpowiednik wymiaru Hausdorffa. Stąd też zresztą nazwa meta-.

Metamateriały, poza ujemnym współczynnikiem załamania światła, mają wiele znacznie ciekawszych właściwości. Światło nie tylko załamują i naginają – wyczyniają z nim istne cuda. Soczewki zbudowane z takich materiałów pozwalają uzyskać rozdzielczość wielokrotnie mniejszą od długości fali – do tej pory było to praktyczne ograniczenie systemów optycznych niemal nie do przejście. Słowo-klucz: niemal. Stało się jednak – i nie bez powodu soczewki takie nazywa się nieco megalomaniacko supersoczewkami, a nawet hipersoczewkami. Podobną redukcję uzyskano też dla anten – dzięki zastosowaniu metamateriałów ich rozmiary mogą ulec znacznemu pomniejszeniu (do tej pory rozmiar anteny musiał odpowiadać długości fali, do odbioruj której antena była przeznaczone – w erze metamateriałów pora na anteny satelitarne wielkości pięciozłotówek).

Innym objawieniem związanym z tym, jak załamawyne i ‚transportowane’ jest światło poprzez metamateriały są wszelkiego rodzaju pelerynki-niewidki. I chociaż na pelerynkę-niewidkę mogącą skutecznie ukryć całego człowieka będzie trzeba jeszcze poczekać, to jednak pierwsze kroki już zostały w tym kierunku uczynione.

Metamateriały – czyli materiały, których właściwości wynikają z nadrzędnej ich struktury – znalazły też drogę do innych dziedzin nauki, nie tylko optyki. Akustyczne metamateriały pomagają w ciekawy sposób kontrolować fale mechaniczne – dźwięk, a także fale ultradzwiękowe i infradzwiękowe. Odpowiednikiem akustycznym optycznych metamateriałów są materiały o ujemnej liczbie Poissona. Historycznie zresztą sa one znacznie starsze niż ich optyczne rodzeństwo. Rok temu opisano pierwszą diodę dźwiękową. I chociaż daleka jeszcze droga, zanim taki wynalazek zacznie podbijać jakieś rynki, to jednak już teraz rozważa się, jak można go wykorzystać np. w medycznych systemach obrazowania opartych na falach akustycznych (tak, tak, wszyscy to znamy, mowa oczywiście o USG).

W jakim kierunku pójdą badania nad różnymi typami metamateriałów? Możemy tylko zgadywać. Ale już dzisiaj, zaledwie kilka lat odkąd światem zaczęły wstrząsać i zaskakiwać coraz to nowe odkrycia z takimi materiałami związane, możemy zaryzykować stwierdzenie, że będzie tych kierunków bardzo wiele, a to, co zostanie jeszcze odkryte, będzie drastycznie zmieniało nasze spojrzenie na to, co leży jeszcze w zakresie science-fiction, a co zaczyna powoli wypełzać z ekranów oraz stronnic książek do świata realnego.

Service, R., & Cho, A. (2010). Strange New Tricks With Light Science, 330 (6011), 1622-1622 DOI: 10.1126/science.330.6011.1622

*Fale dźwiękowe oraz sejsmiczne, to technicznie to samo oczywiście – to po prostu dwa rodzaje fal mechanicznych. Rozróżnienie tutaj zastosowane wynika z różnej natury problemó, do jakich aplikuje się metamateriały.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s