Метаматериал кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое метаматериал , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое метаматериал , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры.

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, сложнодостижимыми технологически, либо не встречающимися в природе . Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например, отрицательные по величине значения как диэлектрической ε, так и магнитной μ 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 и магнитную χ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесенные 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.).

Свойства

Прохождение света через метаматериал с «левосторонним» коэффициентом преломления.

Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент (показатель) преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей .

Основы эффекта

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

(1)

где — волновой вектор, — частота волны, — скорость света, — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной проницаемостей среды никак не отразится на этих соотношениях.

«Правые» и «левые» изотропные среды

Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла. Для сред, у которых диэлектрическая и магнитная восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический , магнитный и волновой — образуют систему т.н. правых векторов:

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых , — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.

В англоязычной литературе описанные материалы могут называть right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны

Прохождение света через границу сред, у одной из которых показатель преломления положителен , а у другой — отрицателен

Перенос энергии правой и левой волнами

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , который равен . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект и обратные волны.

Дисперсия левой среды

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у нее частотной дисперсии. Если одновременно , , то энергия волны будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии и .

Примеры распространения волны в левой среде

Отражение луча, распространяющегося в среде с , от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световое давление, оказываемое светом на поглощаюшие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Суперлинза

Джон Пендри и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету, так как оно формируется без затухающих волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот — их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволить получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Первая экспериментально продемонстрированная суперлинза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами . В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в 2005 году . Это была линза, не использующая негативную рефракцию, однако для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.

Последние достижения в создании суперлинз представлены в обзоре в CE&N. Для создания суперлинзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области. Во втором случае метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия.

В начале 2007 года было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780 нм был равен −0,6.

Метаповерхности

Двумерный аналог метаматериалов — метаповерхности. Метаповерхности особенно хорошо подходят для управления светом, поскольку потери в них, как правило, меньше, чем в объемных 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.

Применение

Было объявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области, способном скрыть трехмерный 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; 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.

История

Первые работы в этом направлении относятся еще к XIX веку. В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной 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 пришел к заключению, что с таким материалом почти все известные оптические явления распространения волн существенно изменяются, хотя в то время материалы с отрицательным коэффициентом преломления еще 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, размещенными 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 определенные 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). 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. Также особым свойством метаматериалов является сильная дисперсия.

Механические свойства композитов

Примерами метаматериалов, обладающими необычными механическими свойствами, являются ауксетики (материалы, имеющие отрицательные значения коэффициента Пуассона), созданные на основе "вывернутой пчелиной соты" и слоистые материалы, обладающие, при специальном подборе характеристик слоев, отрицательным коэффициентом расширения поперек слоев .

Механические метаматериалы — это рационально спроектированные искусственные материалы/структуры точных геометрических расположений, приводящих к необычным физическим и механическим свойствам. Эти беспрецедентные свойства часто вытекают из их уникальных внутренних структур, а не из материалов, из которых они сделаны. Вдохновение для проектирования механических метаматериалов часто приходит из биологических материалов (таких как соты и клетки), из молекулярных и кристаллических структур элементарных ячеек, а также из художественных областей оригами и киригами. В то время как ранние механические метаматериалы имели регулярные повторения простых структур элементарных ячеек, в настоящее время изучаются все более сложные блоки и архитектуры. Механические метаматериалы можно рассматривать как аналог довольно известного семейства оптических метаматериалов и электромагнитных метаматериалов . Механические свойства, включая эластичность, вязкоупругость и термоэластичность, являются центральными для проектирования механических метаматериалов. Их часто также называют эластичными метаматериалами или эластодинамическими метаматериалами . Их механические свойства могут быть спроектированы так, чтобы иметь значения, которые не встречаются в природе, такие как отрицательная жесткость, отрицательный коэффициент Пуассона, отрицательная сжимаемость и исчезающий модуль сдвига. В дополнение к классическим механическим метаматериалам, растет внимание к активным механическим метаматериалам с расширенными функциональными возможностями. Они позволяют «интеллектуальным механическим метаматериалам», которые являются программируемыми материальными системами, способными воспринимать, собирать энергию, приводить в действие, общаться и обрабатывать информацию, взаимодействовать с окружающей средой, оптимизировать свою реакцию и создавать цикл «воспринимать–решать–реагировать» .

Акустические метаматериалы контролируют, направляют и манипулируют звуком в форме звуковых , инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах , жидкостях и твердых телах . Как и электромагнитные волны, звуковые волны могут демонстрировать отрицательное преломление.

Управление звуковыми волнами в основном осуществляется через объемный модуль упругости β , плотность массы ρ и хиральность. Объемный модуль упругости и плотность являются аналогами диэлектрической и проницаемой проницаемости в электромагнитных метаматериалах. С этим связана механика распространения звуковых волн в решетчатой ​​структуре. Также материалы имеют массу и собственную степень жесткости . Вместе они образуют резонансную систему, и механический (звуковой) резонанс может быть возбужден соответствующими звуковыми частотами (например, звуковыми импульсами ).

Структурные метаматериалы — это тип механических метаматериалов, которые обеспечивают такие свойства, как дробимость и легкие характеристики. Используя проекционную микростереолитографию , микрорешетки могут быть созданы с использованием форм, очень похожих на фермы и балки . Были созданы материалы на четыре порядка жестче, чем обычный аэрогель , но с той же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, по крайней мере, в 160 000 раз превышающую их собственный вес, путем чрезмерного ограничения материалов.

Керамический наноферменный метаматериал можно расплющить и вернуть в исходное состояние.

Обычно материалы, встречающиеся в природе, будучи однородными, являются термически изотропными. То есть тепло проходит через них примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях. Однако термические метаматериалы обычно анизотропны из-за своей высокоорганизованной внутренней структуры. Композитные материалы с высокоупорядоченными внутренними частицами или структурами, такими как волокна и углеродные нанотрубки (УНТ), являются примерами этого.

Метаматериалы могут быть изготовлены, которые включают некоторую форму нелинейных сред, свойства которых изменяются с мощностью падающей волны. Нелинейные среды необходимы для нелинейной оптики . Большинство оптических материалов имеют относительно слабый отклик, что означает, что их свойства изменяются лишь на небольшую величину при больших изменениях интенсивности электромагнитного поля . Локальные электромагнитные поля включений в нелинейных метаматериалах могут быть намного больше среднего значения поля. Кроме того, были предсказаны и наблюдались замечательные нелинейные эффекты, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (среда с эпсилон-близкой к нулю). Кроме того, экзотические свойства, такие как отрицательный показатель преломления, создают возможности для настройки условий фазового согласования , которые должны выполняться в любой нелинейной оптической структуре.

Метажидкости предлагают программируемые свойства, такие как вязкость, сжимаемость и оптика. Один из подходов использовал наполненные воздухом эластомерные сферы диаметром 50-500 микрон, взвешенные в силиконовом масле. Сферы сжимаются под давлением и восстанавливают свою форму, когда давление снимается. Их свойства различаются в этих двух состояниях. Без давления они рассеивают свет, что делает их непрозрачными. Под давлением они сжимаются в формы полумесяца, фокусируя свет и становясь прозрачными. Реакция на давление может позволить им действовать как датчик или как динамическая гидравлическая жидкость. Как и кукурузный крахмал , он может действовать как ньютоновская или неньютоновская жидкость. Под давлением он становится неньютоновским — то есть его вязкость изменяется в ответ на силу сдвига.

В 2009 году Марк Брайн и Грэм Милтон математически доказали, что в принципе можно инвертировать знак композита на основе 3 материалов в 3D, изготовленного из материалов только с положительным или отрицательным знаком коэффициента Холла. Позже в 2015 году Муамер Кадич и др. показали, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было окончательно экспериментально продемонстрировано Кристианом Керном и др.

В 2015 году Кристиан Керн и др. также продемонстрировали, что анизотропная перфорация одного материала может привести к еще более необычному эффекту, а именно параллельному эффекту Холла. Это означает, что индуцированное электрическое поле внутри проводящей среды больше не ортогонально току и магнитному полю, а фактически параллельно им.

Мета-биоматериалы — это тип механического метаматериала, специально разработанного для взаимодействия с биологическими системами, объединяющего принципы как метаматериальной науки, так и биологических дисциплин. Разработанные в наномасштабе, эти материалы умело манипулируют электромагнитными, акустическими или тепловыми свойствами для облегчения биологических процессов. Благодаря тщательной корректировке своей структуры и состава, мета-биоматериалы обещают расширить различные биомедицинские технологии, такие как медицинская визуализация, доставка лекарств, и тканевая инженерия. Это подчеркивает важность понимания биологических систем через междисциплинарную призму материаловедения.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Фотонный кристалл
• матаатом
• Vantablack

Данная статья про метаматериал подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое метаматериал и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры