211service.com
Doorbraak verhullen
Sinds H.G. Wells publiceerde De onzichtbare man meer dan een eeuw geleden was het vooruitzicht van onzichtbaarheid - of verhulling - een steunpilaar van sciencefiction. Maar nu zeggen natuurkundigen dat ze er eindelijk achter zijn gekomen hoe ze objecten onzichtbaar kunnen maken, en bovendien zijn ze slechts enkele maanden verwijderd van het in praktijk brengen van deze theorie.
Blauw verhullend metamateriaal is in staat om licht rond een object (oranje cirkel) te buigen, zodat het geen schaduw of reflectie werpt. (Credit: D. Schurig, Duke University.)
De truc is om een manier te vinden om licht en andere soorten elektromagnetische straling rond een object te geleiden, zodat het geen schaduw werpt en geen reflectie veroorzaakt. Normaal gesproken zou dit soort manipulatie een hele opgave zijn, zegt John Pendry van Imperial College London, Engeland. Maar, voegt hij eraan toe, de recente ontwikkeling van een nieuwe klasse materialen, metamaterialen genaamd, maakt het verleidelijk haalbaar.
Metamaterialen zijn geconstrueerde materialen waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun fysieke structuur in plaats van hun chemie, zegt Pendry. Dergelijke eigenschappen omvatten het vermogen om licht te buigen, zegt hij.
Nu aan het werk met David Smith en David Schurig van Duke University, heeft Pendry een manier ontwikkeld om metamaterialen te ontwerpen die licht rond een object kunnen buigen, ongeacht uit welke richting het licht komt. Je kunt het op elke vorm toepassen, zegt Smith. Dit betekent dat in theorie alles kan worden verhuld, zegt hij.
Voortbouwend op het werk van Pendry, dat wordt beschreven in het huidige nummer van Wetenschap , ontwikkelen Smith en Schurig een proof-of-principle-apparaat, met financiering van de onderzoeksafdeling van het Amerikaanse ministerie van Defensie, de Defense Advanced Research Projects Agency. Het is eerlijk om te zeggen dat er dit jaar een demonstratie zal zijn over de basisfysica van cloaking, zegt Schurig.
Het verhullende effect hangt af van de brekingsindex van een materiaal of het vermogen om de richting van het licht dat er doorheen gaat te beïnvloeden. Licht heeft de neiging de snelste route tussen twee punten te verkiezen, wat normaal gesproken een rechte lijn is. Met metamaterialen kan het snelste pad echter een pad zijn dat rond een object buigt.
Maar buiglicht is slechts een van de vereisten voor cloaking. Je moet het licht terugbrengen naar hetzelfde pad dat het volgde voordat het de mantel raakte; anders werpt het een schaduw, zegt Pendry. Evenzo, wanneer licht de mantel binnenkomt, mag het niet worden gereflecteerd. Een manier om erover na te denken is dat dit materiaal de indruk wekt als ruimte te zijn, zegt Smith, in die ruimte kan licht buigen en heeft ook geen reflectie.
Het is een doorbraak, zegt George Eleftheriades , een expert in metamaterialen aan de Universiteit van Toronto. Hij zegt echter dat er een beperking is: het zal niet voor elke frequentie werken.
De huidige materialen zijn inderdaad in staat om alleen microgolven om te leiden, wat betekent dat het verhulapparaat dat Smith en Schurig ontwikkelen alleen zal werken tegen radar of andere microgolfzenders. Hoewel dit waarschijnlijk nuttig zal zijn voor toekomstige stealth-vliegtuigen, zijn we nog minstens een decennium verwijderd van het verhullen van objecten van zichtbaar licht.
De reden is dat, om het verhuleffect te produceren, de substructuren van de metamaterialen kleiner moeten zijn dan de golflengte van het licht dat wordt omgeleid. Dat is momenteel haalbaar voor microgolven, die een golflengte hebben van ongeveer drie centimeter. Maar om zichtbaar licht, met een golflengte van ongeveer een halve micrometer, of een halve miljoenste van een meter, om te buigen, zouden metamaterialen nodig zijn met structuren die op moleculair niveau zijn ontworpen. We zouden het graag op moleculaire schaal willen doen, maar nano-engineering is er nog niet aan toe, zegt Pendry. Recente ontwikkelingen in nanometamaterialen zouden het ontwikkelingsproces echter kunnen versnellen.
Voorlopig bestaat de prototypemantel uit reeksen millimetergrote koperen staven en C-vormige ringen ingebed in een composietvezelplaat, net zoals het soort printplaten waar normaal gesproken computerchips in zitten. Zowel de staven als de C-ringen zijn in staat om passief elektromagnetische velden te creëren bij blootstelling aan microgolfstraling. Als ze precies goed zijn georiënteerd, kunnen deze componenten het pad specificeren dat de straling zal volgen.
Er is ook een andere toepassing voor cloaking, zegt Schurig: het kan als een soort schild worden gebruikt. Soms wil je dingen afschermen of isoleren van het elektromagnetische spectrum, zegt hij. Zo zou verhuling kunnen worden gebruikt op ruimtesondes om gevoelige apparatuur te beschermen tegen kosmische straling.
Maar er is een vangst. Hoewel elk verhuld object onzichtbaar zou zijn, zou het ook blind zijn binnen het verhulde frequentiebereik, omdat elk licht dat erop gericht is, eromheen zou worden omgeleid. In het geval van een met radar verhuld vliegtuig zou dat geen groot probleem moeten zijn, zegt Schurig. De piloot zou geen radar kunnen gebruiken, maar ze kon nog steeds visueel navigeren.