Metamaterjalid: Tehnoloogia, mis murrab füüsikaseadusi
Tänapäeva materjaliteadus on jõudnud punkti, kus teadlased ei piirdu enam ainult looduslike ainete uurimisega, vaid loovad täiesti uusi, unikaalsete omadustega materjale. Üks selline revolutsiooniline valdkond on metamaterjalid – tehislikud struktuurid, mis suudavad manipuleerida valguse, heli ja muude lainetega viisil, mida tavalised materjalid ei suuda. Need materjalid koosnevad mikroskoopiliselt disainitud "meta-aatomitest", mis võimaldavad manipuleerida elektromagnetlaineid viisil, mida looduslike materjalidega pole võimalik saavutada. [1] Metamaterjalide kontseptsiooni soovitas esmakordselt välja Vene teoreetik Victor Veselago aastal 1968, väites, et nii negatiivse läbitavuse kui ka negatiivse dielektrilise läbitavusega materjalid on teoreetiliselt võimalikud ning aastal 1999 leidis John B. Pendry praktilise meetodi metamaterjalide loomiseks. [4]
Mida siis nende materjalidega teha saab ja miks need niivõrd kõrgelt hinnatud on? Nimelt on metamaterjalidel tohutu potentsiaal erinevates valdkondades, milleks on näiteks energiatööstus, info- ja kommunikatsioonitehnoloogia, kosmosetehnoloogia, 6G, liitreaalsus, biosensorid, antimikroobsed materjalid, juhtmevaba laadimine, kaitsetööstus, lennundus ja tervishoid. Turu-uuringud ennustavad, et järgmise kümnendi jooksul suureneb nende turu väärtus oluliselt, ulatudes 2032. aastaks üle 14,5 miljardi dollari. [2] [3] Ühesõnaga üks väga väärtuslik materjal, mille potensiaali ilmselt pole veel ära kasutatud.
Üheks metamaterjalide tüübiks võib nimetada metaläätsesid. Need on valmistatud metamaterjalidest ja suudavad juhtida valgust mikroskoopilisel tasemel. Erinevalt traditsioonilistest läätsedest, mis kasutavad kõverust valguse juhtimiseks, kasutavad metaläätsed nanoskaala mustreid valguse faasi ja suuna juhtimiseks. Need läätsed on kerged ja õhuksed ning on kasulikud valdkondades nagu pildistamine, telekommunikatsioon ja biomeditsiiniseadmed. [6] Harvardi teadlased on näiteks kasutanud metaläätsesid, et pildistada Kuud, Päikest ja Põhja-Ameerika udukogu, olles suutnud luua suurte läbimõõtudega metaläätsesid. Sellised kompaktsed ja tõhusad optilised süsteemid võivad olla eriti kasulikud kosmoses, kuna need on kergesti paigutatavad ja suudavad pakkuda täpseid astronoomilisi pilte. [7]
Lisaks on olemas ka akustilised metamaterjalid. Need on helilaineid manipuleerivad materjalid, millel on unikaalsed omadused, mida tavapärastes materjalides ei esine. Need materjalid võimaldavad näiteks heli fookustamist, summutamist ja peitmist, pakkudes uusi lahendusi mitmesugustes rakendustes, nagu näiteks heliisolatsioon ja akustiliste signaalide töötlemine. [8] Üheks huvitavaks konseptsiooniks on akustiline peitmine (acoustic cloaking). Akustiline peitmine on tehnoloogia, mis võimaldab suunata helilaineid nii, et need mööduvad objektist, muutes selle helidetektorite jaoks "nähtamatuks". Seda kontseptsiooni on uurinud Andrew Norris, Rutgersi Ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika professor, kes on loonud mudeli, mis suunab helilaineid objektist mööda, vältides nende kokkupõrget objektiga. Sõjaväes võiks seda kasutada allveelaevade või muude veealuste objektide varjamiseks sonarite eest. Meditsiinis võib akustiline peitmine parandada ultraheli kujutiste kvaliteeti, võimaldades täpsemat diagnostikat. Samuti võib see aidata kaasa veealuste akustiliste süsteemide täiustamisele, parandades näiteks kalade leidmist või merepõhja kaardistamist. [10]
6G-võrkude arendamisel on üheks oluliseks väljakutseks ülikiirete sageduste, nagu terahertslaineala, efektiivne kasutamine. Need sagedused pakuvad küll suuremat andmeedastuskiirust ja -mahtu, kuid nende levik on piiratud, eriti linnakeskkondades, kus hooned ja muud takistused võivad signaali blokeerida. Selle probleemi lahendamiseks on teadlased pööranud tähelepanu metamaterjalidele, täpsemalt ümberkonfigureeritavatele intelligentsetele pindadele (reconfigurable intelligent surfaces, RIS). RIS-id on spetsiaalsed pinnad, mis koosnevad paljudest väikestest elementidest, mis suudavad elektromagnetlaineid dünaamiliselt juhtida. Neid pindu saab paigaldada hoonetele või muudele struktuuridele, et suunata ja võimendada terahertslaineid piirkondades, kuhu otsene signaal ei ulatu. See võimaldab parandada signaali levikut ja kvaliteeti tiheasustusega aladel, muutes 6G-võrgud usaldusväärsemaks ja tõhusamaks. [11]
Veel üks huvitav valdkond, kus selliseid materjale kasutatakse, on näiteks nähtamatud katted (invisibility cloak). Kasutades spetsiaalseid optilisi metamaterjale, saab valgust suunata objekti ümber, muutes selle inimsilmale nähtamatuks. Kuigi täielikult töötavat nähtamatut katet pole veel teadaolevalt leiutatud ja selline tehnoloogia kuulub pigem ulmekirjandusse, siis ikkagi liiguvad teadusuuringud selles suunas kiiresti ja ehk lähitulevikus saame ka näha seda. [5] Siiski arvan, et sõjatööstus võib sellist infot ka varjata ja selline tehnoloogia võib olla kusagil ka täiesti kasutusel. Kujutan ette, et sõjatööstuses võib see vaenlast üsna segadusse ajada aga samas võibolla mõeldakse kohe ka vastumürk sellele ehk siis mõni seade või prillid, millega tuvastatakse vaenlane ikkagi ära.
Kuigi metamaterjalide potentsiaal on tohutu, on nende laialdane kasutamine veel mõnevõrra piiratud tootmiskulude ja keerukuse tõttu. Siiski on see valdkond kiirelt arenev ning teadlased töötavad pidevalt uute ja praktilisemate lahenduste kallal. Kui need materjalid suudavad oma potentsiaali täielikult realiseerida, võivad need muuta meie arusaama füüsikast ja avada uksed täiesti uuele tehnoloogiaajastule.
Viidatud kirjandus
1. https://metamaterial.com/technologies/metamaterials-and-functional-surfaces/
2. https://metamaterials.network/what-are-metamaterials/
4. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214785321074435
5. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/invisibility-cloak-183582/
6. https://www.synopsys.com/glossary/what-is-a-metalens.html
8. https://sdi.ai/blog/acoustic-metamaterials/
9. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360132324000921
10. https://www.futurity.org/acoustic-cloaking-1738662/
11. https://spectrum.ieee.org/metamaterials-could-solve-one-of-6gs-big-problems
12. https://www.everythingrf.com/community/what-are-metamaterials-and-what-are-they-used-for_1588
Kommentaarid
Postita kommentaar