Метаматериалы – плащ-невидимка

Развитие науки и технологии все больше подтверждает истинность высказывания известного писателя-фантаста Артура Ч. Кларка: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Прототипы и опыты, свидетелями которых мы становимся в разных областях, раньше считались магией, но на сегодняшний день ученые достаточно далеко продвинулись на пути к реализации таких магических способностей, как способность летать, парить в воздухе, становиться невидимым и путешествовать во времени.

Одна из способностей, которой особенно хотели бы обладать поклонники научной фантастики, является способность становиться невидимым. Одним из известных примеров этой способности является мантия-невидимка в фильме «Гарри Поттер и философский камень». Однако и научные достижения в вопросе маскировки и достижения эффекта невидимости достигли уровня, который сопоставим с мантией-невидимкой Гарри Поттера.

В технологиях создания эффекта невидимости применяются специально созданные материалы, называемыми метаматериалами. Эти материалы используются для преломления тепловых, электромагнитных, акустических или механических волн с целью затруднения восприятия предмета. В то время как технологии электромагнитной маскировки делают предметы невидимыми человеческому глазу, технологии механической маскировки используются для скрытия вибрации и натяжения, создаваемых предметом. Традиционные исследования проблемы невидимости в первую очередь занимаются вопросами отражения электромагнитного излучения и света от предметов. Например, некоторые военные самолеты покрывают специальной краской, поглощающей радиоволны и обладающей механизмом для уменьшения выделения тепла, позволяя тем самым скрыть такие самолеты от радаров.1 Однако эти самолеты все равно оставляют определенный след, который можно обнаружить другими способами.

В традиционном понимании плащ-невидимка в первую очередь связан со светом и подразумевает оптическую маскировку. В основе оптической маскировки лежит идея манипулирования со светом. Используя так называемые метаматериалы, обладающие необычными свойствами, ученые заставляют световые волны двигаться в другом направлении и тем самым делают предметы невидимыми.

Работа над проблемой достижения эффекта невидимости началась с исследований микроволновых частот, и уже в последствии ученые открыли способы маскировки, связанные со световыми, звуковыми и даже океаническими волнами. Для достижения эффекта невидимости ученые из Рочестерского университета предложили использовали линзы2, которые позволяют скрыть предмет даже при взгляде на него с разных направлений. Эта технология может использоваться в приборах для установления слепых зон в транспортных средствах и для улучшения качества изображения во время проведения хирургических манипуляций во время разного года операций.

Другая техника оптической маскировки заключается в том, чтобы записать на видео фон, на котором находится предмет, а затем воспроизвести это видео на специальную ткань, наброшенную на предмет. Эта ткань производится из особого материала, покрытого тысячами мельчайшими круглыми элементами, способными к прямому обратному отражению света.3 Когда свет достигает одного из этих элементов, то световые лучи полностью отражаются в том же направлении, откуда пришли. Благодаря этой технологии создается впечатление, что мы видим фон предмета, а сам предмет видим в полупрозрачном виде. Несмотря на несовершенство этой технологии, она является неплохим способом маскировки для определенных целей. Исследователи используют этот способ для скрытия транспортных средств, людей и небольших предметов.

Метаматериалы – это искусственно созданные материалы, которые обладают свойствами, не встречающимися в природе. В наномасштабе ученые меняют структуру материала, делая то, что раньше казалось невозможным. Например, предметы становятся практически невидимыми, производятся супер-линзы, позволяющие видеть на гране оптического разрешения, или используются технологии маскировки, показывающие предметы по-другому.

Свет возникает в результате колебаний, как электрического, так и магнитного полей. Как можно наблюдать в оптике, природные материалы воздействуют на электрическое поле света, в то время как метаматериалы воздействуют на оба поля. Метаматериалы могут производиться из элементарных составляющих, которые намного меньше по размеру, чем длина световой волны, с большими промежутками между ними, что приводит к эффекту плаща-невидимки. Свет несет не только информацию о том, где находится предмет, но и о том, когда он там находится. При помощи технологии маскировки событий от людских взглядов скрываются не предметы, а события. Эта технология позволяет скрыть доказательства совершения определенного действия посредством манипуляций с потоком фотонов, излучаемых лазером.4 В связи с тем, что при использовании такого способа маскировки, во время совершения действия происходят манипуляции со светом, данное событие выглядит так, словно никогда не происходило, т.е. камуфлируется во времени. Во многих технологиях маскировки метаматериалы применяются для направления света так, чтобы он не падал на предмет. Однако маскировка не ограничивается только светом и небольшими временными промежутками. Ученые также проводят исследования, связанные с технологиями управления звуковыми волнами и волнами, распространяющихся в воде.

Используя материалы, взаимодействующие со звуковыми волнами, исследователи из Университета Дьюка смогли разработать устройство для трехмерной акустической маскировки.5 Для создания данного устройства они использовали несколько листов перфорированного пластика. Это устройство меняет направление звуковых волн так, что создается впечатление, что предмета нет. Данная технология акустической маскировки в будущем может быть использована для подводных лодок с целью из укрытия от сонаров. Помимо этого, данная технология также может применяться для укрытия от звуковых волн некоторых зданий, в частности способствовать улучшению акустических характеристик концертных залов. Еще один способ маскировки был разработан исследовательской группой из Франции и Англии и связан с волнами, распространяющимися в воде.6 Разработанная технология позволяет направлять волны вокруг определенного предмета так, словно этого предмета не существует. В будущем она может быть использована для защиты от разрушения волнами прибрежных зданий и инфраструктуры при таких катастрофах, как цунами и пр.

Методы маскировки, связанные манипуляциями световыми, звуковыми, электромагнетическими волнами и волнами на воде, получили в последнее время серьезное развитие. Самым ярким примером является эффект плаща-невидимки при наличии света, однако при этом ученым еще предстоит разработать более важные технологии, как, например, технологии защиты городов от землетрясений, цунами и наводнений.

Ссылки:
1. M. Selvanayagam and G. V. Eleftheriades, “Experimenta Demonstration of Active Electromagnetic Cloaking” Phys. Rev. X 3, 041011 (2013).
2. Joseph S. Choi and John C. Howell, “Paraxial ray optic cloaking”, Opt. Express 22, 29465-29478 (2014).
3. M. Inami, N. Kawakami, and S. Tachi, “Optical camouflag using retro-reflective projection technology”, in Proceeding of ISMAR 2003 (ISMAR, 2003), ss. 348–349.
4. M. Fridman, A. Farsi, Y. Okawachi & A.L. Gaeta, “Demonstratio of temporal cloaking”, Nature 481, 62–65, 2012.
5. Z. L., Popa, B., Cummer, S.A. , “Three-dimensional broadban omnidirectional acoustic ground cloak,” Natur Materials, March 9, 2014.
6. M. Farhat, S. Enoch, S. Guenneau, A.B. Movchan, “Broadban cylindrical acoustic cloak for linear surface wave in a fluid,” Phys. Rev. Lett. 101, 134501 (2008).