211service.com
Een buigbaar, lichtbuigend materiaal
Onderzoekers van de Universiteit van St. Andrews hebben platen gemaakt van flexibel metamateriaal dat zichtbaar licht kan manipuleren. Het is een behoorlijk belangrijke stap voorwaarts, zegt Steven Cummer , hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de Duke University en de uitvinder van de eerste op metamateriaal gebaseerde onzichtbaarheidsmantel. Bij radiofrequenties weten we veel van deze dingen te maken. Maar bij optische golflengten waren de dingen erg fabricage-gelimiteerd.
Nu zie je het: Een vel Metaflex, een nieuw metamateriaal dat kan worden gebruikt in apparaten en stoffen die zichtbaar licht kunnen manipuleren.
Metamaterialen stellen onderzoekers in staat elektromagnetische golven te manipuleren buiten de grenzen van wat de natuurkunde toelaat in natuurlijke materialen. Naast het beloven van betere zonnecellen en microscooplenzen met een hoge resolutie, zijn metamaterialen ook gebruikt om zogenaamde onzichtbaarheidsmantels te maken, waarbij elektromagnetische golven rond een object worden gebogen alsof het er gewoon niet is.
Metamaterialen moeten echter zijn opgebouwd uit elementen die kleiner zijn dan de golflengte van de elektromagnetische straling die wordt gemanipuleerd. Dit betekent dat onzichtbaarheidsmantels (en de meeste metamateriaalapparaten in het algemeen) alleen werken met golflengten die langer zijn dan die in zichtbaar licht, zoals radio- en microgolffrequenties. Metamaterialen die zijn ontworpen om met optische golflengten te werken, zijn gebouwd op stijve en fragiele substraten, en als gevolg daarvan zijn ze beperkt tot het laboratorium.
Het nieuwe metamateriaal, door de makers Metaflex genoemd, wordt vervaardigd op een stijve ondergrond. Een eerste, opofferingslaag van het materiaal wordt op dit substraat afgezet om te voorkomen dat de volgende lagen aan dit substraat blijven kleven. Vervolgens wordt een vel van een flexibel, transparant, plastic polymeer neergelegd. Vervolgens creëert een lithografisch proces, vergelijkbaar met het proces dat wordt gebruikt om siliciumchips te maken, een rooster van goudstaven, elk 100 tot 200 nanometer lang en 40 nanometer dik, bovenop het polymeer. (Deze staven werken als nanoantennes die interageren met inkomende elektromagnetische golven.) Het Metaflex-materiaal wordt vervolgens ondergedompeld in een chemische stof die het polymeer vrijmaakt van de laag eronder en van het stijve substraat.
Door de lengte en afstand van de nanoantennes te variëren, kan Metaflex worden afgestemd op interactie met verschillende golflengten van licht. De eenvoudige vellen die door de onderzoekers werden getest, blokkeerden eenvoudig een deel van een binnenkomende lichtstraal op specifieke golflengten, maar dit is voldoende om aan te tonen dat Metaflex een werkend metamateriaal is. De onderzoekers van St. Andrew's testten golflengten zo kort als 620 nanometer (overeenkomend met een rode kleur).
Tot nu toe hebben de onderzoekers flexibele platen gemaakt van wel vijf bij acht millimeter en zo dun als vier micrometer. Hoewel een monster ter grootte van een vingernagel misschien klein lijkt, is het een grote stap vooruit ten opzichte van de microscopische afmetingen van andere optische metamaterialen. De wetenschappers van St. Andrew's zijn ervan overtuigd dat Metaflex in nog grotere maten en in hoge volumes kan worden geproduceerd. Het is absoluut schaalbaar tot industriële niveaus, zegt Andrea Di Falco, de hoofdauteur van a papier gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde gisteren dat de stof beschrijft.
Zelfs bij kleine afmetingen biedt de flexibiliteit van het materiaal waarschijnlijk enkele grote voordelen. Je zou graag optische metamaterialen willen kunnen vormen tot cilinders of bolvormige secties. Dit zou bijvoorbeeld de creatie van gebogen superlenzen mogelijk maken die objecten zo klein kunnen vergroten dat ze momenteel niet kunnen worden gezien met optische lenzen vanwege diffractie-effecten. Op harde ondergronden is het bijna onmogelijk om zoiets te fabriceren, zegt Cummer van Duke University, maar met een flexibel materiaal kun je het plat maken en het gemakkelijk in vorm buigen.
Di Falco is van mening dat het mogelijk moet zijn om vellen Metaflex op elkaar te stapelen om dikke lagen en blokken van het materiaal te creëren, waardoor het eerste optische metamateriaal ontstaat met een aanzienlijke driedimensionale bulk. Een dergelijke ontwikkeling zou de deur openen naar nieuwe eigenschappen, waaronder misschien de mogelijkheid om met meer dan één enkele golflengte tegelijk te werken. Andere onderzoekers hebben metamaterialen kunnen maken die kunnen worden afgestemd om te reageren op verschillende enkele golflengten na fabricage, maar idealiter zouden ze een materiaal willen dat tegelijkertijd over een brede band van golflengten kan werken. Dit kan worden bereikt door vellen MetaFlex op elkaar te stapelen, elk afgestemd op een andere golflengte.
De volgende stap van de onderzoekers is om deze stapels te maken en te bestuderen hoe de eigenschappen van Metaflex veranderen wanneer platen worden gedraaid, uitgerekt of gebogen.
Uiteindelijk, zegt Di Falco, zou Metaflex toepassingen kunnen hebben zoals het manipuleren van licht van een LED ingebouwd in een contactlens voor augmented reality, zodat computergegenereerde beelden op het netvlies van de drager worden geprojecteerd. En natuurlijk is er onzichtbaarheid. Als je iets flexibels hebt, kun je het in een stof inbedden. Dan zou je kunnen denken aan het afstemmen van de eigenschappen van elke afzonderlijke laag om de respons van de stof te veranderen, waardoor iets vergelijkbaars met camouflage ontstaat. Dus ja, er is enige reden voor [een onzichtbaarheidsmantel]. Niet morgen. Maar daar ga ik aan werken, zegt Di Falco.