Kontrolowana niewidzialność – metamateriały

Sposoby kamuflowania, fizyczne i chemiczne właściwości, dzięki którym możemy stać się niewidzialni

Teoria dopuszcza, by światło opływało przedmioty, czyniąc je niewidzialnymi. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii być może wkrótce pozwolą zastosować to zjawisko w praktyce.

Można sprawić, żeby światło obiegło przedmiot i wróciło na swój dotychczasowy tor, tak jakby niczego w tym miejscu nie było. By ta sztuczka się udała, materiał okrywający ten przedmiot musi mieć bardzo precyzyjnie zaprojektowaną strukturę. Jeszcze do niedawna była to czysta fantazja opisywana czasem przez fizyków obdarzonych bogatą wyobraźnią. Tymczasem tego rodzaju tworzywa już powstają, więc nie ma technicznych przeszkód, żeby stworzyć kamuflaż zapewniający prawie całkowitą niewidzialność

Jak donosi najbardziej poważany magazyn naukowy: Science, magiczna peleryna niewidka Harry’ego Pottera czy kosmiczna zbroja myśliwego z filmu Predator już są w zasięgu ręki naukowców.

To nie skład chemiczny, a właśnie specyficzna struktura tworzywa decyduje o tym, że fale elektromagnetyczne zachowują się w niezwykły sposób. W tak zwanych metamateriałach elementy składowe mają rozmiary porównywalne z długością fali. W przypadku światła widzialnego chodzi o wielkości mierzone w nanometrach – setki razy mniejsze od średnicy ludzkiego włosa. Jeszcze niedawno taka precyzja pozostawała poza naszym zasięgiem, a sama natura sporadycznie mogła się nią pochwalić. Przykładem jest opal, kamień szlachetny, który dzięki mikroskopijnym kryształkom wywołującym interferencję światła mieni się wszystkimi kolorami tęczy. Teraz badania nad podobnymi strukturami przebojem wchodzą do optyki, przesuwając jej granice możliwości. Fizycy są w stanie produkować lepsze soczewki i urządzenia wykorzystywane na przykład w precyzyjnych technikach diagnostycznych – takich jak rezonans magnetyczny.

Jak wyprodukować idealny kamuflaż ?

Różne czynniki wpływają na załamanie światła, odpowiednio kierując tymi czynnikami, możemy sprawić, że światło po prostu zakręci.

Science zamieściło dwie teoretyczne prace brytyjskich naukowców na temat niewidzialności. Autorzy pracujący niezależnie nad tym problemem zgadzają się, że trik polega tylko na dostrojeniu struktury materiału do długości fali. Żeby uzyskać odpowiednie prędkości światła, struktura powinna być wyjątkowo niejednorodna. [Reklama: kotły centralnego ogrzewania, integra]

Zmienna gęstość powietrza wywołuje miraże na pustyni, ponieważ światło załamuje się i odbija na granicach między obszarem cieplejszym a chłodniejszym. Jeśli ośrodek składa się z wielu warstw o różnych współczynnikach załamania, promienie mogą wręcz zakręcać, zamiast biec po prostych liniach.

Te zjawiska można wykorzystać w produkcji peleryny niewidki. Współczynnik załamania powinien w niej zmieniać się stopniowo i poprowadzić światło dookoła zakrywanego obiektu. Po jego ominięciu promienie wrócą na pierwotne tory jak gdyby nigdy nic. Bez zakłóceń i odblasków.

Okazuje się, że osoba pod peleryną niewidką, będzie potrzebować dziurek na oczy, by móc cokolwiek zobaczyć

Tym samym nie tylko sama peleryna będzie przezroczysta. Cała przestrzeń spowita tak przygotowanym materiałem nie będzie istnieć dla promieniowania o określonej częstotliwości. Promienie nie wnikną do środka (więc ze środka nic nie będzie widać – w pelerynie potrzebne będą dziurki na oczy). Prześlizgną się po ukrytym człowieku i nie pozostawią nawet cienia. Dla obserwatora przestrzeń osłonięta w ten sposób wydawać się będzie pusta. Wszystko pod peleryną będzie tym samym osłonięte przed oddziaływaniem z zewnątrz.

Można w ten sposób stworzyć zabezpieczenia przed szkodliwym promieniowaniem albo – szczególnie w przypadku światła widzialnego – zapewnić sobie doskonały kamuflaż.

– Idealna niewidzialność nie jest możliwa – zastrzega Ulf Leonhardt ze szkockiego Uniwersytetu St. Andrews, autor jednej z opublikowanych prac. Jednak z drugiej strony niedoskonałości te mogą być znikome. Da się osiągnąć złudzenie, któremu trudno się oprzeć. Wystarczy tylko dopracować szczegóły i popisać się koronkową robotą na poziomie kilkuset nanometrów.

Obchodzenie problemu niewidzialności jest prostrze niż rozwiązywanie go i o wiele szybsze

Po pierwsze można zastosować japoński wynalazek – pelerynę, na której przedzie wyświetlany jest obraz zza pleców owiniętego nią człowieka.

Fizycy, zamiast obchodzić problem, starali się go rozwiązać. – W ramach tego projektu zamaskować można dowolną rzecz, ponieważ pozostaje ona nienaruszona przez promieniowanie – podkreśla John B. Pendry z londyńskiego Imperial College, główny autor kolejnego artykułu zamieszczonego w Science.

Jego zdaniem to tylko efektowny przykład jednego z wielu pożytecznych zastosowań metamateriałów. W 2000 r. Pendry opisał supersoczewkę bazującą na tych samych tworzywach. Rok temu kalifornijscy naukowcy ogłosili, że udało się ją skonstruować i uzyskać obraz o niespotykanej dokładności. Obecnie konstruują mikroskop wielokrotnie silniejszy od tradycyjnych.

W ramach planów nowej generacji komputerów opartych na impulsach świetlnych, naukowcy wiele obiecują sobie po supersoczewkach i innych drobiazgach, które pozwolą wreszcie na zbudowanie alternatyw wobec tradycyjnej elektroniki. Natomiast maleńkie superanteny pozwalają nie tylko tworzyć superczułe detektory i odbiorniki, ale też nabrać optymizmu co do możliwości konstruowania nanorobotów w przewidywalnej przyszłości.

Pierwsze soczewki z metamateriałów już stworzono, pozwalają wielokrotnie wyostrzyć obraz pod mikroskopem i nareszcie zajrzeć głęboko do wnętrza żywych komórek.

– Supersoczewka jest chyba najbardziej ekscytującym i obiecującym metamateriałem, jaki możemy sobie dziś wyobrazić – mówi Shalaev. – Może być płaska, co jest ważne, bo pozwala ją zwyczajnie dołożyć do konwencjonalnego mikroskopu i widzieć rzeczy 10 razy mniejsze niż to teraz możliwe – dodaje fizyk. – Można będzie osiągnąć rozdzielczość znacznie mniejszą niż długość fal świetlnych i zobaczyć cząsteczki takie jak DNA, wirusy i inne przedmioty po prostu za małe, by je teraz oglądać.

Same soczewki pozwolą oglądać pod mikroskopem optycznym obiekty obserwowane dotąd tylko za pośrednictwem mikroskopów (czy raczej – skanerów) elektronowych, które nie za bardzo nadają się np. do żywych próbek.

Oleg Gadomsky, rosyjski fizyk zajmujący się nanocząstkami, ogłosił niedawno, że wyprodukował i opatentował idealny kamuflaż. Niestety, dotąd poza nim nikt jej nie widział. /no i poza ewentualnie Rosyjskimi Służbami Specjalnymi.. przyp. wł/

Metamateriały

Opis metamateriałów w technice ukrywania przedmiotów a nawet ludzi.

Metamateriały zdobyły serca naukowców, bo nawet proste prawa fizyki trzeba przy nich stosować na odwrót. Światło (jak i inne fale elektromagnetyczne) rozchodzi się w każdym ośrodku z pewną określoną prędkością – zawsze wolniej niż w próżni (np. na styku powietrza z wodą ta prędkość się zmienia i promienie ulegają załamaniu).
Zdolność każdej substancji do spowalniania światła opisuje współczynnik załamania, który dla próżni wynosi jeden, a dla innych ośrodków jest zazwyczaj większy. Okazuje się jednak, że ów współczynnik może być mniejszy, a nawet ujemny – właśnie w przypadku metamateriałów. Prawa klasycznej optyki ulegają wówczas odwróceniu – światło zamiast załamywać, odbija się, i załamuje, zamiast ulec odbiciu. W dodatku pokonuje dłuższe trasy, więc powstaje wrażenie, jakby poruszało się szybciej niż w próżni. Tego rodzaju niestandardowe zachowania dają naukowcom pole do popisu i badań. Zastosowania tych zjawisk mogą być niezwykle nowatorskie i niestandardowe.