Старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов
Х-materials: как ученые работают за природу
Люди всегда стремились к глубокому пониманию свойств окружающих их материалов, так как в них кроются секреты, позволяющие контролировать вещества. Каждый успех в области такого познания приводил к технической революции и изменению уклада жизни человека. Почему ученые видят основные прорывы будущего в области новых материалов и как они создаются в современном мире, рассказывает в блоге Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов старший научный сотрудник Александр Краснок.
Более 300 лет назад наши предки уже знали, как синтезировать сплавы для улучшения механических свойств металлов. А в 60-х годах прошлого века было показано, что проводимость кремния может стать на несколько порядков выше за счет небольшого легирования (добавления примесей в сплав), что заложило основу полупроводниковой революции. В наше время передовые исследования в области науки, в частности нанотехнологий, направлены на изучение электронных, оптических, тепловых и механических свойств материалов — на молекулярном или даже атомном уровне. Все эти усилия значительно расширили спектр материалов, доступных людям.
Больше, чем материалы
В последнее десятилетие появилась и активно развивается концепция метаматериалов, которая предложила совершенно новый подход к синтезу новых материалов, по сути, дав возможность людям проектировать свойства материала по своему желанию. Приставка «мета» переводится с греческого как «вне», «за пределами». То есть метаматериалы — это материалы, чьи физические свойства выходят за пределы свойств привычных человеку материалов.
Каким способом достигается эта уникальная особенность метаматериалов? Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю кратко остановиться на том, как «обычные» материалы приобретают их «обычные» свойства. Если взять какой-то обычный материал, типа кристалла поваренной соли, и заглянуть в его «внутренности» через электронный микроскоп, то мы увидим упорядоченную структуру мельчайших частиц (атомов или ионов), взаимодействующих друг с другом посредством электростатических сил или образования общих электронных орбит. На микроскопическом уровне свойства материала очень сложны: они описываются непривычными нам законами квантовой механики и зависят от состояния каждой из частиц. Однако если рассматривать такой материал на более привычном нам макроскопическом уровне, то все его свойства усреднятся, и мы сможем охарактеризовать материал такими величинами, как теплоемкость, жесткость, диэлектрическая проницаемость и так далее. Таким образом, свойства объемного материала главным образом определяются химическими элементами и связями между ними, но при переходе на макроскопический уровень все эти свойства усредняются.
Конструктор из атомов
Однако природа дала нам относительно небольшое число химических элементов (чуть больше ста), среди которых стабильных еще меньше. Это сильно ограничивает возможности создания материалов с уникальными физическими свойствами. Кроме того, ученые и инженеры хотят получать материалы с необходимыми свойствами не методом слепого поиска, а методом синтеза, когда мы знаем, каким именно путем нужно идти к желаемой цели. Как научиться синтезировать материалы с желаемыми свойствами? Совсем недавно ученые и инженеры получили ответ на этот вопрос: нужно использовать искусственно созданные частицы, или, как их сейчас называют, «метаатомы». Метаматериалы изготавливаются человеком из метаатомов так же, как обычные материалы изготавливаются природой из обычных атомов. Метаатомы, в свою очередь, представляют собой частицы из обычных материалов. Размеры метаатомов должны быть достаточно малы, чтобы можно было рассматривать свойства построенного на их основе метаматериала.
В чем состоит реальная польза такого подхода? Ответ очень прост: мы можем изменять размеры и форму метаатомов, их относительное расположение, использовать самые различные материалы для изготовления метаатомов и так далее. Метаматериалы специально создаются для того, чтобы достичь функциональных возможностей, необходимых для конкретных приложений. Это позволяет конструировать метаматериалы с уникальными свойствами, которые могут даже не встречаться в природе.
Принцип оригами
В качестве примера приведу перестраиваемый механический метаматериал, недавно предложенный в работе, опубликованной в журнале Nature Communications. Он работает на принципах оригами, позволяя относительно просто менять свою форму. Метаатом этого метаматериала состоит из распространенного материала под названием полиэтилентерефталат, из которого часто делают емкости для жидких продуктов питания. В работе было показано, что «средняя» жесткость всего метаматериала зависит от его структуры и может быть легко изменена перестройкой структуры метаматериала. Области применения таких метаматериалов вполне очевидны: как отмечают сами авторы, их изобретение может найти применение в создании солнечных панелей для развертывания в космосе, гибких хирургических стентов и компонентов электроники.
Концепция метаматериалов оказалась настолько уникальной, что она нашла применение в самых разных областях науки и техники. Про современные приложения метаматериалов в акустике можно прочитать в обзорной статье в журнале Science Advances, про применение механических метаматериалов в статье журнала Materials Horizons. Желающим ознакомиться подробнее с электродинамическими и, в частности, оптическими метаматериалами советую работу, авторами которой являются два ведущих ученых мира — директор Центра фотонных метаматериалов Университета Саутгемптона Николай Желудев и соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета Юрий Кившарь. Также очень рекомендую к прочтению замечательную книгу американского ученого Митио Каку «Физика невозможного», одна из глав которой («Невидимость») посвящена метаматериалам, их уникальным свойствам и применению в области оптической маскировки.
В следующем посте блога Центра Александр Краснок расскажет о длинной истории электромагнитных метаматериалов, истоки которой можно обнаружить еще в Древнем Риме, и объяснит, зачем ученые Университета ИТМО засунули рыбу в магнитно-резонансный томограф.
