Метаматериалы. Свойства, которых нет в природе
Можно ли изготовить материал, подобный плащу-невидимке из «Гарри Поттера»? А защитить с помощью материала здание от разрушительного землетрясения? Ещё несколько десятилетий назад такие идеи казались фантастикой, но сегодня они становятся реальностью благодаря появлению особого класса искусственно созданных сред — метаматериалов.
Что такое метаматериалы?
Метаматериалами называют композиты, чьи свойства определяются не химическим составом, как у обычных веществ и материалов, а формой, геометрией и расположением повторяющихся микроструктур — мета-атомов.
Каждый мета-атом состоит из одного или нескольких обычных веществ и поодиночке не создаёт никаких необычных свойств. Но стоит объединить мета-атомы в единую периодическую структуру, подобно тому, как из кирпичей возводят дома, и получаемый материал начинает проявлять свойства, выходящие за рамки привычных.
Какие же необычные свойства могут проявлять метаматериалы? Список огромен. На сегодняшний день метаматериалы сформировались в самостоятельное научное направление, в рамках которого их можно разделить на несколько больших классов: электромагнитные, механические, акустические, тепловые, массотранспортные, сейсмические.
Электромагнитные метаматериалы управляют электромагнитными волнами разной частоты, включая ультрафиолетовый и видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны, микроволновый диапазон, и могут проявлять такие свойства, как отрицательный показатель преломления, отрицательная диэлектрическая проницаемость или отрицательная магнитная проницаемость. Примеры устройств на основе электромагнитных метаматериалов — суперлинзы, позволяющие преодолеть дифракционный предел; прототипы «плащей-невидимок» (устройств маскировки); компактные антенны с улучшенными характеристиками (5G, спутниковая связь); сверхчувствительные радиолокационные системы.
Механические метаматериалы демонстрируют необычные механические свойства, например, отрицательный коэффициент Пуассона, нулевой или отрицательный модуль Юнга (модуль упругости), нулевой коэффициент теплового расширения. Такие структуры имеют высокий потенциал использования при создании брони, амортизирующих платформ для мягкой стыковки и посадки космических кораблей и дронов, медицинских имплантов, ультралёгких авиационных панелей.
Акустические метаматериалы предназначены для управления звуковыми волнами. Они могут иметь отрицательную плотность, отрицательный модуль упругости, акустические запрещённые зоны (частотные диапазоны, где звуковая волна не может распространяться) или, наоборот, проявлять сверхпоглощение звука при минимальной толщине метаматериала. Применяются акустические метаматериалы для шумоподавления и звукоизоляции, создания акустических фильтров и диодов, защиты от воздействия ультразвука, разработки технологий «акустической невидимости» и др.
Тепловые метаматериалы позволяют управлять тепловыми потоками: перераспределять, фокусировать или скрывать тепло. В метаматериалах этого класса эффективная теплопроводность* может быть анизотропной, то есть различаться в зависимости от направления, или вовсе отрицательной (поток тепла перенаправляется в материале необычным образом). Эти метаматериалы перспективны для использования в тепловых переключателях, создания термоизоляционных конструкций сложной формы, систем охлаждения чипов, а также для тепловой маскировки объектов («тепловые плащи-невидимки»).
* Теплопроводность гетерогенного метаматериала оценивается как усреднённое значение теплопроводностей всех его компонентов.
Массотранспортные метаматериалы — совсем новый класс материалов, которые подобно тепловым метаматериалам, распределяющим тепло, с высокой точностью перенаправляют потоки жидкости или газа. Перспективная сфера применения данного класса метаматериалов — управление диффузией лекарств в биомедицинских устройствах, создание прочных и при этом проницаемых (для молекул, клеток и биологических жидкостей) костных имплантов, фильтрование и разделение газов или жидкостей с высокой точностью, а также создание каталитических поверхностей, которые способствуют эффективной доставке реагентов к активным центрам.
Сейсмические метаматериалы представляют собой крупномасштабные периодические или анизотропные структуры, которые размещаются в грунте. С их помощью можно перенаправлять или гасить сейсмические волны, обеспечивая тем самым защиту зданий и инфраструктуры от разрушения. Устройство и принцип действия сейсмических метаматериалов очень схожи с акустическими метаматериалами, отличие заключается в гораздо больших размерах мета-атомов, составляющих сейсмические метаматериалы.
Путь длиною более века
Как же человечество пришло к идее создания метаматериалов?
История развития метаматериалов берёт начало в самом конце XIX века, когда в 1898 году индийский физик Джагадиш Чандра Бос исследовал материалы с хиральными (асимметричными) свойствами, изучая их поведение в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Чуть позже, в начале XX века, финский физик Карл Фердинанд Линдман экспериментировал с металлическими спиралями, моделируя искусственные среды, способные необычно взаимодействовать с микроволнами.
Следующий важнейший вклад в развитие метаматериалов внёс в конце 1940-х годов инженер Уинстон Эдвард Кок из AT&T Bel Labs (США). Он впервые ввёл понятие искусственного диэлектрика — композитной среды, где металлические включения («искусственные молекулы») размещены в диэлектрике, а эффективная диэлектрическая проницаемость среды определяется не только химическим составом, но и геометрией, и конфигурацией включений. Также Кок разработал металлическую линзу для радиоволн, показав, что специально созданная геометрия металлических пластин позволяет фокусировать радиоволны так, будто это классическая, гораздо более массивная и тяжёлая линза из диэлектрика. Таким образом, Уинстон Кок создал прообразы метаматериалов и показал фундаментальную возможность контролировать такие характеристики материала, как диэлектрическая и магнитная проницаемость, в гораздо более широких пределах, чем это задумано природой.