211service.com
Et bøjeligt, let bøjeligt materiale
Forskere ved University of St. Andrews har lavet ark af et fleksibelt metamateriale, der kan manipulere synligt lys. Det er et ret væsentligt skridt fremad, siger Steven Cummer , professor i elektro- og computerteknik ved Duke University og opfinderen af den første metamateriale-baserede usynlighedskappe. Ved radiofrekvenser ved vi, hvordan man laver mange af disse ting. Men ved optiske bølgelængder har tingene været meget fabrikationsbegrænsede.
Nu ser du det: Et ark Metaflex, et nyt metamateriale, der kunne bruges i enheder og stoffer, der kan manipulere synligt lys.
Metamaterialer giver forskere mulighed for at manipulere elektromagnetiske bølger ud over grænserne for, hvad fysikken tillader i naturlige materialer. Ud over at love bedre solceller og højopløselige mikroskoplinser, er metamaterialer også blevet brugt til at skabe såkaldte usynlighedskapper, hvor elektromagnetiske bølger bøjes rundt om et objekt, som om det simpelthen ikke var der.
Imidlertid skal metamaterialer være konstrueret af elementer, der er mindre end bølgelængden af den elektromagnetiske stråling, der manipuleres. Det betyder, at usynlighedskapper (og de fleste metamateriale-enheder generelt) kun fungerer med bølgelængder, der er længere end dem, der findes i synligt lys, såsom radio- og mikrobølgefrekvenser. Metamaterialer designet til at arbejde med optiske bølgelængder er bygget på stive og skrøbelige underlag, og som et resultat er de blevet begrænset til laboratoriet.
Det nye metamateriale, kaldet Metaflex af dets skabere, er fremstillet oven på et stift underlag. Et indledende, offerlag af materialet afsættes på dette substrat for at forhindre de efterfølgende lag i at klæbe til dette substrat. Et ark af en fleksibel, gennemsigtig plastpolymer lægges derefter ned. Dernæst skaber en litografisk proces, der ligner den, der bruges til at fremstille siliciumchips, et gitter af guldstænger, hver 100 til 200 nanometer lang og 40 nanometer tyk, oven på polymeren. (Disse stænger fungerer som nanoantenner, der interagerer med indkommende elektromagnetiske bølger.) Metaflex-materialet bades derefter i et kemikalie, der frigiver polymeren fra laget under og fra det stive substrat.
Ved at variere længden og afstanden mellem nanoantennerne kan Metaflex indstilles til at interagere med forskellige bølgelængder af lys. De simple ark testet af forskerne blokerede simpelthen en del af en indkommende lysstråle ved bestemte bølgelængder, men dette er nok til at demonstrere, at Metaflex er et fungerende metamateriale. St. Andrews-forskerne testede bølgelængder så korte som 620 nanometer (svarende til en rød farve).
Indtil videre har forskerne produceret fleksible ark så store som fem gange otte millimeter og så tynde som fire mikrometer. Selvom en prøve på størrelse med en fingernegle kan virke lille, er den et stort skridt op fra de mikroskopiske dimensioner af andre optiske metamaterialer. St. Andrew's-forskerne er overbeviste om, at Metaflex kan produceres i endnu større størrelser og i store volumener. Det er absolut skalerbart til industrielle niveauer, siger Andrea Di Falco, hovedforfatteren af en papir offentliggjort i New Journal of Physics i går, der beskriver materialet.
Selv ved små størrelser vil materialets fleksibilitet sandsynligvis give nogle store fordele. Du vil virkelig gerne være i stand til at forme optiske metamaterialer til cylindre eller sfæriske sektioner. Dette kunne for eksempel tillade skabelsen af buede superlinser, der kunne forstørre objekter så små, at de i øjeblikket ikke kan ses med optiske linser på grund af diffraktionseffekter. På stive underlag er det næsten umuligt at fremstille den slags, siger Duke Universitys Cummer, men med et fleksibelt materiale kunne du fremstille fladt og nemt bøje det i form.
Di Falco mener, at det burde være muligt at stable plader af Metaflex sammen for at skabe tykke lag og blokke af materialet, hvilket skaber det første optiske metamateriale med en betydelig tredimensionel bulk. En sådan udvikling ville åbne døren til nye egenskaber, herunder måske evnen til at arbejde med mere end en enkelt bølgelængde ad gangen. Andre forskere har været i stand til at skabe metamaterialer, der kan indstilles til at reagere på forskellige enkelte bølgelængder efter fremstilling, men ideelt set vil de gerne have et materiale, der kan arbejde på tværs af et bredt bånd af bølgelængder samtidigt. Dette kan opnås ved at stable ark af MetaFlex, som hver er indstillet til en anden bølgelængde.
Forskernes næste skridt er at skabe disse stakke og studere, hvordan egenskaberne ved Metaflex ændrer sig, når plader snos, strækkes eller bøjes.
I sidste ende, siger Di Falco, kunne Metaflex have applikationer såsom at manipulere lys fra en LED indbygget i en kontaktlinse til augmented reality, så computergenererede billeder projiceres på bærerens nethinde. Og selvfølgelig er der usynlighed. Hvis du har noget fleksibelt, kan du indlejre det i et stof. Så kunne du finde på at justere egenskaberne for hvert enkelt lag for at ændre stoffets respons, hvilket giver noget, der ligner camouflage. Så ja – der er nogle grunde til [en usynlighedskappe]. Ikke i morgen. Men det er det, jeg vil arbejde på, siger Di Falco.