Ett böjbart, lättböjbart material

Forskare vid University of St. Andrews har skapat ark av ett flexibelt metamaterial som kan manipulera synligt ljus. Det är ett ganska viktigt steg framåt, säger Steven Cummer , professor i el- och datorteknik vid Duke University och uppfinnaren av den första metamaterialbaserade osynlighetsmanteln. På radiofrekvenser vet vi hur man gör många av dessa saker. Men vid optiska våglängder har saker och ting varit väldigt tillverkningsbegränsade.

Nu ser du det: Ett ark Metaflex, ett nytt metamaterial som kan användas i enheter och tyger som kan manipulera synligt ljus.

Metamaterial tillåter forskare att manipulera elektromagnetiska vågor bortom gränserna för vad fysiken tillåter i naturliga material. Förutom att utlova bättre solceller och högupplösta mikroskoplinser, har metamaterial också använts för att skapa så kallade osynlighetskappor, där elektromagnetiska vågor böjs runt ett föremål som om det helt enkelt inte vore där.

Metamaterial måste dock vara konstruerade av element som är mindre än våglängden för den elektromagnetiska strålningen som manipuleras. Det betyder att osynlighetskappor (och de flesta metamaterialenheter i allmänhet) bara fungerar med våglängder längre än de som finns i synligt ljus, som radio- och mikrovågsfrekvenser. Metamaterial designade för att fungera med optiska våglängder är byggda på stela och ömtåliga substrat, och som ett resultat har de varit begränsade till labbet.

Det nya metamaterialet, kallat Metaflex av dess skapare, tillverkas ovanpå ett styvt underlag. Ett initialt, offerskikt av materialet avsätts på detta substrat för att förhindra att de efterföljande skikten fastnar på detta substrat. Ett ark av en flexibel, transparent plastpolymer läggs sedan ned. Därefter skapar en litografisk process, liknande den som används för att göra kiselchips, ett gitter av guldtackor, var och en 100 till 200 nanometer lång och 40 nanometer tjock, ovanpå polymeren. (Dessa staplar fungerar som nanoantenner som interagerar med inkommande elektromagnetiska vågor.) Metaflex-materialet badas sedan i en kemikalie som frigör polymeren från lagret under och från det stela substratet.

Genom att variera längden och avståndet mellan nanoantennerna kan Metaflex ställas in för att interagera med olika våglängder av ljus. De enkla arken som testades av forskarna blockerade helt enkelt en del av en inkommande ljusstråle vid specifika våglängder, men detta är tillräckligt för att visa att Metaflex är ett fungerande metamaterial. St. Andrews-forskarna testade våglängder så korta som 620 nanometer (motsvarande en röd färg).

Hittills har forskarna tagit fram flexibla ark så stora som fem gånger åtta millimeter och så tunna som fyra mikrometer. Även om ett prov i nagelstorlek kan verka litet, är det ett stort steg upp från de mikroskopiska dimensionerna hos andra optiska metamaterial. St. Andrews-forskarna är övertygade om att Metaflex kan tillverkas i ännu större storlekar och i höga volymer. Det är absolut skalbart till industriella nivåer, säger Andrea Di Falco, huvudförfattare till a papper publiceras i New Journal of Physics gårdagen som beskriver materialet.

Även vid små storlekar kommer materialets flexibilitet sannolikt att ge några stora fördelar. Du skulle verkligen vilja kunna forma optiska metamaterial till cylindrar eller sfäriska sektioner. Detta kan till exempel tillåta skapandet av böjda superlinser som kan förstora objekt så små att de för närvarande inte kan ses med optiska linser på grund av diffraktionseffekter. På styva underlag är det nästan omöjligt att tillverka den typen av saker, säger Duke Universitys Cummer, men med ett flexibelt material kan du tillverka platt och enkelt böja det till form.

Di Falco anser att det borde vara möjligt att stapla ark av Metaflex tillsammans för att skapa tjocka lager och block av materialet, vilket skapar det första optiska metamaterialet med en betydande tredimensionell bulk. En sådan utveckling skulle öppna dörren till nya fastigheter, inklusive, kanske, möjligheten att arbeta med mer än en enda våglängd åt gången. Andra forskare har kunnat skapa metamaterial som kan ställas in för att svara på olika enstaka våglängder efter tillverkning, men helst skulle de vilja ha ett material som kan arbeta över ett brett band av våglängder samtidigt. Detta kan uppnås genom att stapla ark av MetaFlex, var och en avstämd till olika våglängder.

Forskarnas nästa steg är att skapa dessa staplar och studera hur egenskaperna hos Metaflex förändras när ark vrids, sträcks eller böjs.

I slutändan, säger Di Falco, kan Metaflex ha applikationer som att manipulera ljus från en LED inbyggd i en kontaktlins för förstärkt verklighet, så att datorgenererade bilder projiceras på bärarens näthinna. Och naturligtvis finns det osynlighet. Om du har något flexibelt kan du bädda in det i ett tyg. Sedan kan du tänka dig att justera egenskaperna för varje enskilt lager för att ändra tygets respons, vilket ger något som liknar kamouflage. Så, ja - det finns vissa skäl för [en osynlighetsmantel]. Inte imorgon. Men det är det jag ska jobba med, säger Di Falco.

Dölj