Language
Country/Area
No result found
Материальный мир, который вы не можете себе представить: как метаматериалы влияют на электромагнитные волны и звук?
В нашей повседневной жизни поведение материи кажется постоянным, но ученые использовали инженерные технологии для создания совершенно нового вида материи, называемого метаматериалами. Магия этого вещества, обладающего свойствами, обычно не встречающимися в природе, заключается в том, что они определяются не свойствами основного материала, а, скорее, новой структурой. Такие материалы могут не только управлять электромагнитными волнами, но также корректировать звуки и даже сейсмические волны. Это позволяет нам, наконец, получить представление о новой ситуации в технологиях будущего.
Эти новые метаматериалы состоят из различных материалов, таких как металлы и пластмассы, расположенных в масштабах меньших, чем длины волн, на которые они воздействуют. Благодаря точным формам, геометрии и расположению метаматериалы могут блокировать, поглощать, усиливать или изгибать волны.
Возможные применения этих метаматериалов довольно широки: от спортивного оборудования до медицинского оборудования и даже в связанной с ними авиации дальнего действия. Метаматериалы продемонстрировали большой потенциал. Например, метаматериалы можно использовать для создания металинз, возможности визуализации которых превышают дифракционный предел традиционных линз, тем самым увеличивая плотность оптических данных.
Благодаря созданию соответствующих структур эти метаматериалы могут даже проявлять эффект «невидимости» на разных длинах волн. Демонстрация градуированных экспоненциальных материалов является примером, который дает человечеству более значительный потенциал для реализации научно-фантастической фантазии о «плащах-невидимках». Помимо электромагнитных волн, метаматериалы также стали популярной областью исследований при изучении акустики и сейсмических волн.
Историческое исследование метаматериалов
Понятие метаматериалов не появляется в последнее время. Его можно проследить до конца 19 века. В то время Джагадиш Чандра Бос уже начал исследовать вещества с хиральными свойствами. В начале 20 века Карл Фердинанд Линдман также изучал влияние металлических спиралей на волны. Позже, в 1940-х годах, Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы с аналогичными метаматериальными свойствами.
В 1967 году Виктор Веселаго впервые теоретически описал материалы с отрицательным преломлением и продемонстрировал, что такие материалы могут передавать свет. До 1995 года Джон М. Герра успешно изготовил субволновую прозрачную решетку шириной 50 нанометров, которая проложила путь к созданию металинз.
Область применения метаматериалов
С углублением исследований метаматериалов возможности научного и технологического применения этих материалов стали безграничными. От улучшенных ультразвуковых датчиков в медицинских испытательных устройствах до высокочастотной боевой связи — метаматериалы продолжают менять нашу жизнь. Кроме того, эти материалы имеют многообещающее применение в управлении солнечной энергией, лазерных технологиях и сейсмостойком строительстве.
Чтобы читатели могли лучше понять эти концепции, исследователи делят метаматериалы на несколько основных ветвей: метаматериалы электромагнитных/световых волн, другие волновые метаматериалы и диффузионные метаматериалы.
Характеристики электромагнитных метаматериалов
На поведение электромагнитных метаматериалов влияет микроструктура материала, которая меньше длины волны, на которую воздействуют. Необычные свойства этих метаматериалов обусловлены резонансными реакциями каждого компонента, а не их пространственным расположением. Такой резонанс приводит к изменению эффективных параметров электромагнитных волн (таких как диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость), поэтому метаматериалы могут проявлять свою уникальность во многих различных приложениях.
В частности, метаматериалы с отрицательным показателем преломления называются метаматериалами с отрицательным показателем преломления (NIM), которые характеризуются наличием как отрицательной диэлектрической проницаемости, так и отрицательной магнитной проницаемости. Такая конфигурация позволяет этим материалам демонстрировать преимущества в управлении направлением распространения электромагнитных волн и расширении возможностей визуализации.
Будущие задачи и перспективы
Хотя метаматериалы имеют столь широкий спектр сценариев применения, их производство и практическое применение по-прежнему сталкиваются со многими проблемами. Как преодолеть текущие технические ограничения сообщества материалов и разработать метаматериалы со стабильными характеристиками и низкими производственными затратами, по-прежнему остается важной задачей для современных ученых-материаловедов. Однако по мере развития исследований метаматериалы будут приносить все больше неожиданных научных и технологических инноваций, тем самым способствуя развитию общества.
Как метаматериалы изменят наше понимание материи в будущем?
