Метаматеріали

МЕТАМАТЕРІА́ЛИ  — композиційні матеріали, властивості яких залежать не лише від елементів, з яких вони складаються, а насамперед від штучно створеної періодичної структури. З фіз. точки зору М. є штучно сформованими й особливим чином збудованими структурами, що мають електромагнітні або оптичні властивості, що не існують у природі. Електромагнітні властивості М. визначаються елементами їхньої внутр. структури, розміщеними за заданою схемою на мікроскопіч. рівні, що модифікує діелектричну та магнітну проникності, дозволяє управляти законами дисперсії, заломлення та відбивання електромагніт. хвиль. Можливість управління структурою компонентів матеріалу сприяє конструюванню та створенню матеріалів із властивостями, що не трапляються в природ. матеріалах. Властивості цих матеріалів можна змінювати таким чином, щоб вони мали більш широкий діапазон електромагніт. характеристик. Різновидами М. є кристалоподібні структури, електромагнітні структури із забороненою зоною, лівосторонні матеріали та періодичні не­однорідності на заземленій поверхні мікросмужк. пристроїв. Усі вони модифікують діелектричну та магнітну проникність матеріалу. До М. зараховують, напр., синтет. дихроїчні матеріали, що складаються з ізотроп. компонентів: саме асиметр. структура композит. матеріалу призводить до появи анізотропії форми. Існують М. з багатократно збільшеними електрич. проникністю та магніт. сприйнятливістю, ефективність неліній. ефектів у М. може збільшуватися в рази порівняно зі звичай. речовинами. Зокрема, ефективність гігант. комбінацій. розсіювання може зростати багатократно порівняно з вимушеним комбінацій. розсіюванням у компонентах, відповідно збільшується й ефективність генерації другої та третьої гармонік. Один із найвідоміших класів М. — М. з негатив. коефіцієнтом заломлення, у яких одночасно негативні діелектрична та магнітна проникність. Існування таких речовин теоретично обґрунтував 1967 укр. і рос. фізик В. Веселаго. Вони характеризуються негатив. значенням показника заломлення, а їхні оптичні властивості істотно відрізняються від властивостей традиц. матеріалів. В. Веселаго зробив висновок, що з таким матеріалом усі відомі оптичні явища поширення хвиль істотно змінюються, хоча в той час матеріали з негатив. коефіцієнтом заломлення ще не були відомі.

Перші виготовлені М. мали вигляд невпорядкованих маленьких дротів, скручених у спіраль та вкладених у фіксуюче середо­вище. Мікрохвильові лінзи створювали з провід. сфер, дисків і періодично розташованих метал. смужок, що утворювали штучне середовище зі специфіч. ефектив. показником заломлення. Плідною виявилася ідея створення ізотроп. М. на основі діелектрич. резонанс. включень. Така гіпотетична регулярна структура складається зі сферич. резонаторів, виконаних із магнітодіелектрика з однаковою величиною діелектрич. і магніт. проникності, були також запропоновані численні варіанти лише діелектрич. структур, що складаються з резонаторів різної форми. Природ. матеріалів з такими властивостями поки не виявлено. Експериментально речовини з негатив. показником заломлення в радіодіапазоні електромагніт. хвиль були створ. 1999. Нині вчені здійснюють роботи зі створення та дослідж. М. з негатив. показником заломлення в оптич. діапазоні. Всі створені штучно матеріали з одночасно негатив. діелектрич. і магніт. проникностями в оптич. діапазоні є композитами, що містять метал. та діелектричні компоненти. Перспектив. класом М. є фотонні кристали, зокрема резонансні фотонні кристали. М. можуть практично застосовувати в різних приклад. галузях: це пристрої оптич. маскування, передавання зображень з надвисокою розділ. здатністю, концентратори-колектори світл. енер­гії, спец. датчики, широкосмуг. НВЧ-поглиначі та поляризатори, засоби ближньопольової мікроскопії. На базі М. можна створювати сенсори склад. молекул, що, потрапляючи в поле М., починають світитися. Це дає змогу визначати одиничні молекули, що, зокрема, важливо для судової криміналістики. М. використовують як світлофільтр, який виділяє світло певної довжини з випромінювання, що падає. Такий матеріал може бути основою для створення наднадій. магніт. пам’я­ті, тому що структура осередків М. не дає можливості перемагнічувати один одного та втрачати записану інформацію. Створено плоскі лінзи з М., розділ. здатність яких дозволяє аналізувати об’єкти з розмірами, що менші за довжину хвилі. Лінза складається з масивів вертикал. платівок, виконаних з оксиду титану й розташованих під чітко визначеними кутами. Фазовий профіль лінзи з М. збігається з профілем сферич. лінзи. Розроб­лено М., що дозволяють захищати пілотів від осліплення лазером. Значно зростає інтерес до використання М. у радіотех. системах, зокрема в антен. техніці. Завдяки тому, що М. мають негатив. показник заломлення, вони ідеальні для маскування об’єктів, тому що їх неможливо виявити засобами радіорозвідки. Проте сучасні М. тільки в першому наближенні мають негатив. показник заломлення, що призводить до знач. вторин. перевипромінювання. Осн. сфери їх застосування — виготовлення підкладок і випромінювачів у плоских антенах для досягнення широкої смуги та зменшення розмірів антен. елементів; компенсація реактивності малих антен у широкій смузі частот; досягнення вузької простор. спрямованості елементар. випромінювачів; виготовлення антен поверхневої хвилі; зменшення взаєм. впливу між елементами антен. ґраток, узгодження рупор. та ін. типів антен. Провідні наук. школи в галузі розроблення М. функціонують в Інституті радіофізики та електроніки НАНУ, Нац. університеті радіоелектроніки (обидва — Харків), Нац. тех. університеті «Харків. політех. інститут», Інституті проблем матеріалознавства НАНУ (Київ), Нац. тех. університеті України «Київ. політех. інститут».

Завантажити статтю