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O mundo material que você não pode imaginar: como os metamateriais afetam as ondas eletromagnéticas e o som?
Na nossa vida diária, o comportamento da matéria parece ser constante, mas os cientistas usaram tecnologia de engenharia para criar um tipo completamente novo de matéria chamado metamateriais. A magia desta substância, que possui propriedades normalmente não encontradas na natureza, é que elas não são determinadas pelas propriedades do material subjacente, mas sim pela estrutura recém-projetada. Esses materiais podem não apenas controlar as ondas eletromagnéticas, mas também ajustar os sons e até as ondas sísmicas. Isso nos permite finalmente ter uma ideia da nova situação da tecnologia futura.
Esses novos metamateriais são feitos de uma variedade de materiais, como metais e plásticos, dispostos em escalas menores que os comprimentos de onda que afetam. Através de formas, geometrias e arranjos precisos, os metamateriais podem bloquear, absorver, melhorar ou dobrar ondas.
As possíveis aplicações desses metamateriais são bastante amplas, variando de equipamentos esportivos a equipamentos médicos e até mesmo aplicações relacionadas à aviação de longo alcance. Por exemplo, metamateriais podem ser usados para projetar metalens, cujas capacidades de imagem excedem o limite de difração das lentes tradicionais, aumentando assim a densidade dos dados ópticos.
Ao projetar estruturas apropriadas, esses metamateriais podem até exibir efeitos de "invisibilidade" em diferentes comprimentos de onda. A demonstração de materiais exponenciais graduados é um exemplo que dá à humanidade um potencial mais significativo para realizar a fantasia da ficção científica das “mantas da invisibilidade”. Além das ondas eletromagnéticas, os metamateriais também se tornaram um campo de pesquisa popular no estudo da acústica e das ondas sísmicas.
Exploração histórica de metamateriais
O conceito de metamateriais não aparece nos últimos tempos. Ele remonta ao final do século XIX. Naquela época, Jagadish Chandra Bose já havia começado a explorar substâncias com propriedades quirais. No início do século 20, Karl Ferdinand Lindman também estudou o efeito das espirais metálicas nas ondas. Mais tarde, na década de 1940, Winston E. Kock, da AT&T Bell Laboratories, desenvolveu materiais com propriedades de metamateriais semelhantes.
Em 1967, Victor Veselago descreveu pela primeira vez teoricamente materiais refrativos negativos e demonstrou que tais materiais podem transmitir luz. Até 1995, John M. Guerra fabricou com sucesso uma grade transparente de comprimento de onda de 50 nanômetros de largura, que abriu caminho para a realização de metalens.
Escopo de aplicação de metamateriais
Com o aprofundamento das pesquisas sobre metamateriais, as possibilidades de aplicações científicas e tecnológicas destes materiais tornaram-se infinitas. Desde sensores ultrassônicos aprimorados em dispositivos de testes médicos até comunicações de alta frequência no campo de batalha, os metamateriais continuam a mudar nossas vidas. Da mesma forma, estes materiais têm aplicações promissoras na gestão de energia solar, tecnologia laser e construção resistente a terremotos.
Para permitir que os leitores entendam melhor esses conceitos, os pesquisadores dividem os metamateriais em vários ramos principais: metamateriais de ondas eletromagnéticas/de luz, outros metamateriais de ondas e metamateriais de difusão.
Características dos metamateriais eletromagnéticos
O comportamento dos metamateriais eletromagnéticos é afetado pela microestrutura do material, que é menor que o comprimento de onda das ondas afetadas. As propriedades incomuns desses metamateriais são causadas pelas reações ressonantes de cada componente, e não pelo seu arranjo espacial. Tal ressonância faz com que os parâmetros efetivos das ondas eletromagnéticas (como constante dielétrica e permeabilidade magnética) mudem, razão pela qual os metamateriais podem mostrar sua singularidade em muitas aplicações diferentes.
Em particular, metamateriais com índice de refração negativo são chamados metamateriais de índice negativo (NIM), que são caracterizados por terem uma constante dielétrica negativa e uma permeabilidade magnética negativa. Esta configuração permite que estes materiais demonstrem vantagens no controle da direção da propagação das ondas eletromagnéticas e no aprimoramento das capacidades de imagem.
Desafios e perspectivas futuras
Embora os metamateriais tenham uma ampla gama de cenários de aplicação, sua fabricação e prática ainda enfrentam muitos desafios. Como superar as atuais limitações técnicas da comunidade de materiais e projetar metamateriais com desempenho estável e baixos custos de fabricação ainda é uma tarefa importante para os atuais cientistas de materiais. No entanto, à medida que a investigação avança, os metamateriais trarão mais inovações científicas e tecnológicas inesperadas, promovendo assim o desenvolvimento da sociedade.
No futuro projeto tecnológico, como os metamateriais mudarão a nossa compreensão da matéria?
