Onzichtbare mantel komt dichter bij realiteit met nieuw metamateriaal

Een metamateriaal is een materiaal met een structuur met een negatieve brekingsindex. De structuur is periodiek zodanig dat de permeabiliteit én permittiviteit negatief zijn. De permeabiliteit van een materiaal is de eigenschap die beschrijft in welke mate een vaste stof een andere stof doorlaat. De permittiviteit is een fysische grootheid die beschrijft hoe een elektrisch veld een materiaal beïnvloedt en hoe het elektrische veld beïnvloedt wordt door een elektrisch veld. En doordat, bij metamaterialen, allebei deze grootheden negatief zijn hebben deze materialen opmerkelijke eigenschappen ten opzichte van normale materialen. Eén van deze eigenschappen is bijvoorbeeld dat deze materialen een invallend elektromagnetische straal op een verschillende manier doorgelaten of gebroken in vergelijking dan gewone materialen. Namelijk wanneer een elektromagnetische straling op een metamateriaal invalt dan wordt het van de normaal weg gebroken in plaats van naar de normaal toe. En dus is de brekingsindex van deze materialen negatief in plaats van positief. Dit en nog andere eigenschappen zijn verschillend bij deze materialen.

Deze eigenschap zorgt dat metamaterialen interessant worden voor een vrij unieke toepassing, namelijk om voorwerpen onzichtbaar te maken. Door hun opmerkelijk gedrag ten opzichte van elektromagnetische golven kunnen deze metamaterialen elektromagnetische golven zodanig gaan beïnvloeden zodat men hun aanwezig niet kan achterhalen aan de hand van elektromagnetische golven. Dit gedrag werd al reeds aangetoond met een simpele cirkelvormige disk met een elektromagnetische straal met één enkele golflengte. Namelijk wanneer elektromagnetische golven door een metamateriaal stralen dan worden deze op een zodanige manier afgebogen dat ze, wanneer ze het materiaal terug verlaten, er hetzelfde uitzien als voor het materiaal.

En dus aangezien er geen enkel verschil te bespeuren is aan de golf voor en na het materiaal, is het materiaal niet te detecteren met een elektromagnetische golf. Elektromagnetische golven worden in het alledaagse leven veel gebruikt maar wat ook bijzonder interessant is, is dat licht namelijk ook een elektromagnetische golf is. Dus een metamateriaal die dit gedrag vertoont voor de alle frequenties voor elektromagnetische golven uit het zichtbaar spectrum zou dus in theorie onzichtbaar moeten zijn. Elektromagnetische stralen kennen naast licht ook nog andere vormen. Zoals bijvoorbeeld ook de signalen voor radio's zijn ook elektromagnetische stralen en naast die voor de radio zijn ook de signalen voor een TV-antenne elektromagnetische stralen. Deze frequenties voor radio-, TV- of GSM-signalen zijn uiteraard niet dezelfde als deze van licht want deze stralen zijn onzichtbaar voor de mens. En door vele onderzoeken is het ondertussen gekend hoe men metamaterialen kan maken die hun bijzonder karakter vertonen bij deze radiofrequenties. En dus kan men deze al gaan produceren in massaproductie. Maar bij de productie van dergelijke materialen die hetzelfde gedrag vertonen bij de frequenties van zichtbaar licht slaagt men er niet in om dit in zo'n grote hoeveelheden te doen.

En in de natuur komen er geen materialen voor waarbij zowel allebei de permittiviteit en de permeabiliteit negatief zijn voor een bepaalde golflengte. Alle metamaterialen worden dus gemaakt door middel van synthese. De opbouw van een metamateriaal hoeft niet per definitie periodiek te zijn, maar aangezien dit het proces wel vergemakkelijkt, wordt het over het algemeen wel gedaan. Een veelvoorkomende groep van metamaterialen bestaat uit een periodieke structuur van zogenaamde split-ring resonators. Dit zijn U-vormige metalen ringen en een periodieke structuur hiervan heeft een negatieve permeabiliteit. De negatieve permittiviteit wordt dan weer gerealiseerd door een andere negatieve structuur. En vervolgens worden afwisselend lagen van de ene structuur en de andere structuur opgebouwd. Deze periodieke structuren moeten een periodiciteit hebben ter grootte van de golflengte van de elektromagnetische straling waarvoor het materiaal een negatieve brekingsindex moet hebben.

Onderzoekers van de University of St. Andrews hebben een nieuw soort metamateriaal ontwikkeld. Hun metamateriaal is een flexibel materiaal die specifiek zichtbaar licht kan gaan manipuleren. En dus kunnen de onderzoekers met die metamateriaal de elektromagnetische golven van zichtbaar licht gaan hanteren voorbij de grenzen van wat de fysica toelaat bij natuurlijke materialen. Dit nieuw metamateriaal zou onder andere toepassingen kennen bij microscopen met hoge resoluties, bij zonnecellen maar ook bij de zogenaamd Cloaks of Invisibility. Cloak of invisibility ofwel de mantel der onzichtbaarheid is een term die afkomstig is uit de wereld van de fictie maar kent sinds recent ook een wetenschappelijke betekenis. Namelijk op 19 oktober 2006, tijdens een gezamenlijke inspanning van wetenschappers van Groot Brittannië en de Verenigde Staten zijn ze er in geslaagd om een soort mantel te ontwikkelen die microgolven van een specifieke frequentie om een koperen cilinder heen kan buigen zodanig dat aan de andere kant van de cilinder de elektromagnetische golven hetzelfde zijn alsof de cilinder niet aanwezig is. En vandaar de benaming mantel der onzichtbaarheid. De mantel bij dit onderzoek was gemaakt van metamaterialen.

Maar om een mantel der onzichtbaarheid te maken moeten de metamaterialen waaruit hij is opgebouwd bestaan uit elementen die kleiner zijn dan de golflengte van de elektromagnetische straling men het gedrag wil manipuleren. En dit betekend dus dat metamaterialen enkel werken met golflengtes die een grotere lengte hebben dan de golflengtes van zichtbaar licht, bijvoorbeeld bij de frequenties van radiosignalen of microgolven. Om een metamateriaal te bouwen voor bij de optische frequenties van elektromagnetisch golven moeten deze gebouwd worden op zeer harde, brosse en dus fragiele substraten. En dit zorgt ervoor dat dit enkel te realiseren is in een laboratorium en niet met een industrieel productieproces.

Dit nieuwe metamateriaal, met de naam "Metaflex", wordt gebouwd op een zo'n hard en bros substraat. En eerste, opofferende laag wordt op het substraat aangebracht om te voorkomen dat de volgende lagen aan het substraat zouden kleven. Nadat deze eerste opofferende laag is aangebracht op het substraat, wordt er een transparante flexibele laag gemaakte van een polymeer bovenop aangebracht. En na het aanbrengen van deze laag ondergaat het geheel een lithografisch proces gelijkaardig aan dat voor computerchips van silicium. Tijdens proces wordt er een rooster van goudstaven, van 100 tot 100 nanometers lang en 40 nanometers dik aangebracht op het polymeer. Deze goudstaven dienen als nano-antennes die de invallende elektromechanische golven opvangen. Na het aanbrengen van dit rooster van goudstaven wordt alles in een bad met chemicaliën ondergedompeld die de polymeren laag doet loskomen van de onderliggende laag en dus ook van het substraat.

En dus door de lengte en de tussenliggende afstand van het rooster nano-antennes te variëren, kan men het Metaflex materiaal gaan fijn-tunen voor die specifieke golflengte van zichtbaar licht. De onderzoekers hebben verschillende van deze simpele vellen metamaterialen getest naar hun eigenschappen. En uit de resultaten zagen de wetenschappers dat een gedeelte van het invallende licht met een specifieke golflengte geblokkeerd werd door het materiaal. En dus uiteindelijk waren deze testen dus een demonstratie van het kunnen van het Metaflex materiaal. Tot nu toe waren de vellen van dit metamateriaal zeer beperkt in afmetingen, namelijk waren de onderzochte vellen vijf op acht millimeter groot en slechts 4 micrometer dik. Alhoewel dit onbruikbaar klein lijkt, toch is dit een grote doorbraak in het onderzoek naar metamaterialen. Want voordien slaagde men er enkel in om dergelijke materialen op microschaal te fabriceren. En dus onderzoekers van University of St. Andrew, die het Metaflex materiaal ontwikkelden, zijn ervan overtuigd dat zo het ook op grotere schaal gemaakt kan worden. En het productieproces heeft ook het potentieel op uitgebouwd te worden tot op industrieel niveau.

En zelfs al op dergelijke kleine schaal biedt dit materiaal al reeds een aantal interessante mogelijkheden. Bijvoorbeeld wanneer men deze optische flexibele metamaterialen kan vormen tot een cilinder of sferische vormen. Dit zou toestaan om een gebogen superlens te gaan bouwen die kleine elementen, die men de dag van vandaag nog niet kan zien ook met de beste microscoop, te gaan vergroten zodat ze duidelijk zichtbaar worden voor het menselijk oog. Dergelijke zaken kan men enkel realiseren met flexibele metamaterialen en harde brosse metamaterialen zijn onbruikbaar voor dit doel. Daarnaast zou het ook mogelijk zijn om deze metamaterialen te gaan stapelen op elkaar in meerdere lagen. Dit zou dan weer toelaten om metamaterialen te bouwen die voor meerdere golflengtes werken in plaats van één enkele golflengte. Het uiteindelijke doel in dit geval is op de lagen metamaterialen zodanig te gaan stapelen zodat het kan werken bij een brede band golflengtes.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [technologyreview]