Польские ученые занимаются разработкой материалов с уникальными оптическими возможностями, которые применяются в оптике, медицине, фотовольтаике и оптоэлектронике. Среди прочего - это метаматериалы, которые характеризуются отрицательным коэффициентом преломления, а также фотонные кристаллы, то есть кристаллы с изменяющейся диэлектрической проницаемостью. Об этих уникальных материалах и их специфике Польское Радио попросило рассказать профессора Дороту Анну Павляк, которая работает в Институте технологий электронных материалов и в Варшавском университете. Итак, что такое метаматериал:
Весь наш мир основан на материалах, а мета означает, что-то сверх, что-то лучшее. То есть, метаматериал должен быть лучше, чем обычный материал. Если мы соединим два материала, две или больше составляющих, придадим этому определенную структуру и добьемся качественно нового свойства, то мы получим метаматериал. Метаматериалы – это композитные материалы, с тем что длина волны, когда мы видим ее оптические свойства должна быть значительно большей чем сама структура данного материала.
Одним из наиболее поразительных свойств материалов со сверхоптическими возможностями является так называемый эффект невидимости объекта. Исследовательница рассказала о специфике такого рода материалов:
Объекты не совсем стают «невидимыми». Идея заключается в том, что мы создаем некую оболочку из метаматериала с градиентом соответствующего физического свойства. К примеру, речь идет о диэлектрической и магнитной проницаемости, а благодаря градиенту с соответствующими свойствами оптическая волна, так сказать, огибает объект, а внешний наблюдатель его не видит. До сих пор не удалось создать метаматериал, который бы целиком скрыл объект. Кроме этого если бы человек захотел оказаться внутри такого композита, то он бы не увидел, что происходит вне его.
Хочу добавить, кое-что интересное. В 2011 году была опубликована первая теоретическая работа о том, что, так сказать, «спрятать» можно не только разного рода объекты, то есть пространство, но и с событиями, имеется ввиду времяпространство. Даже были проведены небольшие экспериментальные исследования в этой области. Ученые, которые занимаются данной проблематикой в своих научных презентациях отмечали, что не исключено, что в будущем будет возможность вносить изменения в историю.
По понятным причинам, возможность сделать тот или иной объект невидимым прельщает военных:
На всех конференциях, касающихся метаматериалов появляется очень много представителей военно-воздушных сил и военно-морского флота. Как правило, это люди из США, по крайней мере те, которые меня встречались. Попался также один господин из Финляндии, который мне расспрашивал как можно спрятать танк, и речь о том, чтобы скрыть его на на все 100%, а самое главное, чтобы при инфракрасном излучении его не было заметно. Даже была некая идея по этому поводу.
В свою очередь, Институт электронных материалов очень часто посещают военные разных родов войск. По сути, заинтересованные лица приезжали по моему приглашению Один раз у меня был деловой обед с представителем одного американского агентства, финансирующего научные исследования для военно-морского флота США. Я его спросила, используют ли американцы метаматериалы в подводных лодках, чтобы они не были обнаружены сонаром. Он только сказал: «Я об этом ничего не могу сказать».
Стоить отметить, что профессор Павляк, кроме работы над метаматериалами, занимается также фотонными кристаллами. Среди прочего, она несколько лет назад разработала новый метод создания одиночных и сложных кристаллических волокон, а во время стажировки в Японии ей удалось вырастить фотонный кристалл для дальнейшего использования в оптических изоляторах. Исследовательница обращает внимание, что в природе существует много такого рода кристаллов:
Природа прекрасна, и во многом эта красота существует благодаря фотонным кристаллам. То есть, часть цветов в природе – это цвета, источником цвета которых является не пигмент, а структура материала. К примеру, крылья мотылька в значительной степени состоят из хитина, бесцветного природного соединения. Реакция структуры со светом дает цвет. Это касается крыльев мотыльков, перьев птиц, рыбьей чешуи и так далее.
Нужно сказать, что подходу польской ученой свойственна инновацинонность. В свое время профессор Павляк предложила соединить две исследовательские сферы - композитные метаматериалы и эвтектические материалы. Она объяснила, что такое эвтектика:
Эвтектика – это некая смесь. К примеру, когда есть два материала, а температура плавления первого, скажем, составляет 1000°C, а второго 2000 °C, то полученный из них эвтектический сплав будет иметь температуру плавления 800°C. Характерно, что кристаллизируя эвтектический сплав, мы переходим от однофазоной жидкости, к двухфазоному, твердому телу. Из одной жидкости кристализуруются два твердых тела и возникают разного рода кристаллические самоорганизующиеся структуры. Эти две фазы, как бы, растут совместно.
Это не совсем новые материалы, поскольку эвтектика уже используется в разных видах стали. Это соединения метала с металлом или метала с углем. Эвтектические материалы обладают отличными механическими характеристиками. В тоже время наиболее известной разновидностью эвтектики, в зимнюю пору года, является соль и вода. Зачем дороги посыпают солью? Дело в том, что при соответствующем составе соли, около 22%, кристаллизация будет проходить при температуре ниже 21 °C [другими словами, дороги, так быстро не замерзают, если бы соль не использовалась].
Профессор Павляк поделилась своими научными планами и проектами на будущее:
На данный момент мы находимся на пути создания Центра совершенства в той области, в которой мы работаем, речь идет о методике выращивания кристаллов для получения новых материалов с оптическими возможностями и их использование в разных сферах. Это как телекоммуникация, так и конверсия солнечной энергии в другие виды энергии. Это также медицинская область. Возможность создания такого центра дает евросоюзная программа «Горизонт 2020» и конкурса «Teaming for Excellence». Мы являемся одним из трех исследовательских центров, которые прошли первый этап конкурс, то есть, получили финансирование на бизнес план по созданию такого научного Центра совершенства. И тот факт, что я работаю как в Институте технологий электронных материалов, так и Варшавском университете поспособствовал этому.
PR1/no