Метаматериалы.

 Особо стоит отметить исключительно перспективную группу конструкционных материалов и покрытий будущего — МЕТАМАТЕРИАЛЫ.

 Метаматериалы — это композиционные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов сколько микроструктурой. Этот термин особенно часто применяют по отношению к композитам, проявляющим свойства, не характерные для объектов, встречающихся в природе. Главной уникальной особенностью данного класса материалов является потенциальная возможность обеспечивать отрицательный угол преломления. Такое свойство метаматериалы имеют благодаря не химическому составу, а специальной структуре. Этот эффект предсказал еще в 1960-х гг. талантливый отечественный физик В. Г. Весел.

 Метаматериалы представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например отрицательные значения диэлектрической (е) и магнитной (р) проницаемостей, пространственную структуризацию (локализацию) распределения величин этих параметров (в частности, периодическое изменение коэффициента преломления, как у фотонных кристаллов), возможность управления параметрами среды в результате внешних воздействий (метаматериалы с электрически управляемой диэлектрической и магнитной проницаемостями) и др.

 В 1967 г. В. Г. Веселаго предсказал возможность создания суперлинзы с отрицательным коэффициентом преломления. Эта идея была позже подхвачена английским физиком Дж. Пендри, и первые «метаматериалы», обладающие такими свойствами, были созданы американским учеными Д. Смитом и его коллегами в лаборатории Ш. Шульца.

 Идея материалов-невидимок заключается в том, что маскируемый объект помещается в некую полость внутри маскировочной оболочки, и световые волны (или любая другая разновидность электромагнитного излучения), ударяясь об эту оболочку, вместо того чтобы попадать далее в размещенный внутри объект, плавно огибают его и, соединяясь, выходят наружу. Д. Смит в этой связи привел условную аналогию с речным потоком и камнем, помещенным на его пути: «Водные струи, сталкиваясь с камнем, просто растекаются вокруг него и соединяются вместе уже за ним». Используя уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные явления в среде, Д. Пендри с сотрудниками сделали необходимые теоретические расчеты физических характеристик маскировочного материала, способного соответствующим образом изменять направление электромагнитных волн. В частности, ученые пришли к выводу, что этот материал должен быть сконструирован так, чтобы скорость света на некотором удалении от полости была относительно медленной и возрастала при приближении к ней см. рис.

Схема изменения на­правления электромагнитных волн в метаматериале.

 Главный «секрет» невидимости состоит в использовании материа­лов с отрицательным коэффициентом преломления света см. рис.

Иллюстрация свойств метаматериалов: слева — обычная жидкость, справа — с отрицатель­ным показателем преломления.

 Одна из главных проблем, с которой сталкиваются разработчики та­ких метаматериалов, состоит в необходимости перебрать множе­ство вариантов форм и структур в поиске оптимального решения. Специалисты из университета Пенсильвании нашли способ об­легчить эту работу, используя так называемые «генетические алгоритмы». Этим методом нахо­дят наилучшие варианты путем комбинирования и вариации ис­комых параметров по принципу естественного отбора в природе.

 Группа ученых работала с материалом, представляющим собой несколько слоев на кремниевой подложке. За первым слоем из палладия следовал слой полиамида, внутри которого был помещен еще один экранирующий слой палладия. В последнем слое были сделаны сложные вырезы определенной формы, которые блокируют волны разной длины см. рис.

Узоры» метаматериала, блокирующие электромагнитные волны: а — проектные узоры, б — узоры палладия на полиамиде

 

 Благодаря особой форме и размерам элементов, этот «узор» поглощает до 90 % ИК-излучения, падающего на поверхность под углом до 55°. Чтобы найти наиболее эффективный рисунок для экранирующего слоя пригодился математический инстру­мент, основанный на законах природы. Ученые записали характеристики отдельных ячеек экранирующего слоя в двоичном коде, создав своеобраз­ные цифровые хромосомы. После этого алгоритм начал в случайном по­рядке смешивать их, создавая большое число возможных форм и узоров. Затем программа проверила свойства всех полученных образцов и ото­брала самые лучшие из них, которые были вновь смешаны между собой для получения второго поколения вариантов, из которых снова оставля­ли лишь наиболее подходящие. В результате эволюционного отбора был получен образец, который по свойствам превзошел поставленные требо­вания. Материал поглощает широкий спектр волн в отличие от многих узкоспециализированных предшественников. Кроме того, он состоит всего из одного экранирующего слоя, что делает его простым в изготовлении.

 Покрытие из полиамида не только защищает металл, но и предотвращает потери в момент входа волны из воздуха в устройство. По мнению разработчиков, новый материал .может применяться, чтобы объекты были не видны для инфракрасных сенсоров, а также для защиты специального оборудования от излучения.

 Ранее генетический алгоритм уже использовали в области электромагнетизма, но работа американских ученых стала первым случаем его применения для изготовления новых материалов.

 Стоит отметить, что метаматериалы были созданы достаточно давно, но до сих пор имели один существенный недостаток: они были невидимы только в одном, весьма ограниченном диапазоне света. Таким образом, предмет мог быть невидим, но, как только меняли угол наблюдения и диапазон светового излучения, его можно было увидеть. Это означает, что свет, огибающий объект, должен иметь такую же поляризацию, как и свет вне объекта.
Шотландские ученые из университета Святого Андрея разработали совершенно инновационный тип метаматериала — МегаЯех, позволяющий избавиться от этого недостатка. Главное, что обеспечивает отрицательный коэффициент преломления во всем диапазоне видимого света, — это структура метаматериала, от которой зависят его оптические свойства. Раньше это достигали за счет специальных нанорешеток на поверхности, а шотландские ученые использовали другой способ. Они «свернули» плоский двухмерный метаматериал в трехмерный на-норазмерный объект и сохранили оригинальные оптические свойства материала.

 То, что считалось научной фантастикой и можно было увидеть только в фантастических фильмах еще 20 лет назад, теперь воплощается в жизнь. На рис. представлен плащ, изготовленный из метаматериала, который представляет собой практически «шапку-невидимку» пришельца из голливудских фильмов. Чтобы такой материал был «шапкой-невидимкой», он должен обладать двумя свойствами. Во-первых, он сам не должен отражать свет и не допускать, чтобы свет отражался от объекта, скрытого под ним. В принципе это легко — для наблюдения в видимой области спектра достаточно ведра черной краски (и ш • м. эквивалента — для радиоволн). Во-вторых, надо как-то избавится от тени и это уже гораздо сложнее. Свет должен миновать объек точно пустое место.

 Слева — плащ, изготовленный из метаматериала, 2014 г.; справа — инопланетянин из фильма «Хищник» (Predator), 1987 г.

 Исходя из этого, можно с уверенностью утверждать, что основой маскировочных покрытий будущего, скорее всего, станут метаматериалы. Возможность метаматериалов искусственно варьирован показатель преломления в различных зонах может обеспечить требуемый разброс скорости света внутри маскировочной оболочки. Это делает их незаменимыми в данных технологиях. Электромагнитный отклик метаматериала можно «конструировать», создавая специальные как правило микроскопические, структуры, которые можно будет использовать в различных покрытиях см. рис.

Микроструктуры метаматериалов.

 

 Однако вызывает большие сомнения возможность создания абсолютно невидимого в оптическом диапазоне покрытия, поскольку согласно теории оптики, полностью избавиться от рассеивания или поглощения световых волн нельзя. Тем не менее ученые полагают, что добные оптические дефекты могут быть сведены к минимуму. Даже том случае, если разработанный метаматериал будет создавать ни пути света «легкую дымку», это все равно будет означать большой успех в создании новых материалов. Другая очевидная проблема будущих покрытий связана с тем, что замаскированные под ними объекты, скорее всего, полностью потеряют связь с внешним миром. Например, если этим объектом будет человек, он не только окажется невидим для внешних наблюдателей, но и сам не будет ничего видеть. Кроме того, материалы-невидимки как бы по определению накладывают жесткие ограничения на подвижность спрятанных внутри них объектов.

 Подводя итоги, можно сделать вывод, что материаловедение вступило в новую, более интенсивную стадию развития. То, что раньше происходило за столетия, сейчас осуществляется за десятилетия или даже за годы. Дальнейшее развитие технологии конструкционных материалов происходит на наших глазах. Эволюцию конструкционных материалов можно с большой долей уверенности спрогнозировать на ближайшие 100 лет.

 В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть, что дальнейшее развитие машиностроения, строительной отрасли и различных технологий в первую очередь определяется успехами в области создания принципиально новых конструкционных материалов. Сегодня от достижений создателей материалов, отвечающих самым высоким современным требованиям, зависит наше технологическое будущее и прогресс цивилизации в целом.