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. памʼя­ті, 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 обʼєкти 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 обʼєктів, 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