CC BY
1
УДК 544.163
НОВЫЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ОТКРЫТИЯ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ
Д. Ю. Харитонов*, Д. К. Шмыканов, Г. Д. Чащин Научный руководитель - Е. В. Сергеева
Красноярский индустриально-металлургический техникум Российская Федерация, 660073, г. Красноярск, ул.Тельмана, 32 *Е-шаИ: guyfire915@gmail.com
Представлены новые инновационные изобретения в материаловедении - это Метаматериалы, обладающие свойствами, которых нет в природных материалах. Рассмотрена их классификация и области применения.
Ключевые слова: инновация, метаматериал.
NEW INNOVATIVE DISCOVERIES IN MATERIALS SCIENCE
D. Y. Kharitonov*, D. K. Shmykanov, G. D. Chashchin Scientific supervisor - E. V. Sergeeva
Krasnoyarsk Industrial Metallurgical College 32, Telman st., Krasnoyarsk, 660073, Russian Federation * E-mail: guyfire915@gmail.com
New innovative inventions in materials science are presented - these are Metamaterials with properties that are not present in natural materials. Their classification and application areas are considered.
Keywords: innovation, metamaterial.
Важнейшие направления, определяющие развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг - это новые материалы.
Одним из таких направлений является метаматериал, созданный, чтобы обладать свойством, которого нет в природных материалах. Они изготавливаются из сборок нескольких элементов, изготовленных из композитных материалов, таких как металлы и пластмассы. Материалы обычно расположены в повторяющихся узорах в масштабах, меньших, чем длины волн явлений, на которые они влияют. Метаматериалы получают свои свойства не из свойств базовых материалов, а из их новых конструкций. Их точная форма, геометрия, размер, ориентация и расположение придают им интеллектуальные свойства, способные манипулировать электромагнитными волнами: блокировать, поглощать, усиливать или изгибать волны для достижения преимуществ, которые выходят за рамки того, что возможно с обычными материалами [1].
Сконструированные метаматериалы могут воздействовать на волны электромагнитного излучения или звука так, как это не наблюдается в сыпучих материалах.
В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне.
Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.
Большому количества исследований подвергались материалы, которые демонстрировали отрицательный показатель преломления для определенных длин волн, были в центре внимания. Эти материалы известны как метаматериалы с отрицательным индексом.
Метаматериальные исследования являются междисциплинарными и включают такие области, как электротехника, электромагнетизм, классическая оптика, микроволновая и антенная техника, оптоэлектроника, материаловедение, нанонаука.
Метаматериалы принято классифицировать по степени преломления: одномерные, двухмерные, трехмерные [2]
В одномерных материалах степень преломления постоянно меняется лишь в единственном направлении пространства. Подобные материалы выполнены из слоев элементов, расположенных параллельно и имеющих отличающиеся степени преломления. Они способны демонстрировать уникальные свойства лишь в единственном направлении пространства, которое перпендикулярно указанным слоям.
В двухмерных материалах степень преломления постоянно меняется лишь в 2-х направлениях пространства. Подобные материалы в большинстве случаев выполнены из прямоугольных структур, имеющих преломление т1, и располагающихся в среде с преломлением т2. В то же время элементы с преломлением т1 располагаются в 2-х мерной решетке с кубической основой. В результате подобные материалы способны демонстрировать свои свойства в 2-х направлениях пространства. Но двухмерность материалов не ограничивается только прямоугольником, она может быть создана с помощью круга, эллипса или иной произвольной формой.
В трехмерных материалах степень преломления постоянно меняется в 3-х направлениях пространства. Подобные материалы условно можно представить в виде массива областей в объемном значении (эллипс, куб и так далее), расположенных в трехмерной решетке.
Метаматериалы также делятся на: проводники (они перемещают квазичастицы на значительные длины, но с небольшими потерями.); диэлектрики (представляющие зеркала почти идеального состояния; полупроводники (элементы, которые могут, отражать квазичастицы только некоторой длины волны; сверхпроводники (в этих материалах квазичастицы могут перемещаться почти на неограниченные расстояния).
Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами, поэтому их делят еще и по по относительной проницаемости.
Потенциальные области применения метаматериалов разнообразны и включают: оптические фильтры, медицинские устройства, удаленные аэрокосмические приложения, обнаружение датчиков и мониторинг инфраструктуры, интеллектуальное управление солнечной энергией, контроль толпы, обтекатели, высокочастотную связь на поле боя и линзы для антенн с высоким коэффициентом усиления, улучшение ультразвуковых датчиков и даже экранирование конструкций от землетрясений [3].
Рассмотрим некоторые примеры использования метаматериалов.
Плащ-невидимка.
Ученым Дэвиду Смиту, Дэвиду Шуригу из Имперского колледжа Лондона удалось создать сказочный плащ-невидимку, но с серьезными оговорками. Плащ из такого метаматериала отклоняет электромагнитные волны, так будто его не существует. Но пока это действует только в двухмерном пространстве при облучении объекта микроволнами, неразличимыми для человеческого глаза. Это серьезный шаг вперед, так как ученые на основе данного открытия смогут создать новый материал, который будет отклонять и видимый нами свет.
Суперлинза.
Имеет разрешение в разы превосходящее дифракционный предел, позволяющий микроскопам и другим приборам, оснащенным такими линзами, показывать мелкие частицы, ранее недоступные для аналогичных приборов. Например, изучение микроскопических микробов и вирусов, которые теоретически существуют, но увидеть их не удалось еще никому.
Терагерцевые приборы.
Ученые из Калифорнийского университета разработали новый вид метаматериалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого спектра. Такие источники излучения можно будет использовать в новых приборах. Сфера их применения включает в себя: метеорологию и океанографию, создание радаров с новыми свойствами, универсальных «всепогодных» навигаторов, дистанционного оборудования для обнаружения оружия под одеждой, проверки качества деталей, наконец - в медицине, в качестве безвредной замены рентгену.
Иллюзорная стена.
Китайские учёные придумали невидимость наоборот. Новые метаматериалы создают иллюзию того, что предметы больше, чем они есть на самом деле. С их помощью можно визуально увеличить стену и закрыть ей реально существующий дверной проем.
Еще одна вариация данной технологии называется Блеф-стеной. Она позволяет создавать стену или копию несуществующей военной техники, для того чтобы обмануть радары противника. Например, рядом с одной ракетой может лететь еще с десяток «виртуальных», сбивающих столку ПВО противника. Такой вариант уже применяется в ВС России.
Антизеркало.
Использование метаматериалов позволило создать не существовавший ранее в природе тип отражающей поверхности. Необычные свойства могут пригодиться во многих экспериментах со светом, а также при создании новых типов фотодатчиков или элементов систем связи.
Антенная техника.
Метаматериалы используют для изготовления подложек и излучателей в печатных антеннах для достижения широкополосности, уменьшения размеров антенных элементов и для увеличения эффективности антенной техники, в целом.
Управление звуком.
С помощью метаматериалов можно управлять звуковыми волнами. Так с помощью одного из них исследователям удалось сфокусировать звук, словно свет в линзе. А затем заставить маленький шарик левитировать, удерживая его в воздухе пучком фокусированных звуковых волн.
Автоматический «Кубик Рубика».
Кубическая конструкция из метаматериала, способная автоматически самоперестраиваться, изменяя при этом не только свою форму, но и объем.
Оптический пинцет.
В современных лабораториях такие пинцеты уже используются. С их помощью можно захватывать объекты микронного или субмикронного размера для исследования взаимодействия частиц микромира.
В будущем метаматериалы позволят создавать микроэлектронные устройства, которые будут иметь меньшие размеры и отличаться увеличенной производительностью. Это станет достижимо благодаря отказу от электронов как носителей информации в пользу фотонов (квантов электромагнитного излучения) [4].
Открытие новых метаматериалов позволит создавать супермощные лазерные установки, т.е, при уменьшенной потребляемой мощности они будут выдавать такой сильный световой импульс, который можно будет использовать как оружие. Так же проектировать новые
промышленные SD-принтеры. На производстве такие лазеры смогут заменить работу циркулярных пил и газосварочного оборудования.
Библиографические ссылки
1. Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 07.04.2022).
2. Метаматериалы. Виды и устройство. Работа и применение. [Электронный ресурс]. URL: https://electrosam.ru (дата обращения: 06.04.2022).
3. Что такое метаматериалы? Перспективы практического использования. [Электронный ресурс]. URL: https://powercoup.by (дата обращения: 06.04.2022).
4. Метаматериалы или какие возможности нас ждут в будущем. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com (дата обращения: 05.04.2022).
© Харитонов Д. Ю., Шмыканов Д. К., Чащин Г. Д., 2022
