Метаматериалы. Свойства, которых нет в природе
Кандидат химических наук Наталья Удалова, лаборатория новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова
Можно ли изготовить материал, подобный плащу-невидимке из «Гарри Поттера»? А защитить с помощью материала здание от разрушительного землетрясения?
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...
Продолжение статьи читайте в номере журнала
