Nanotechnologia pozwala naukowcom realizować marzenia o superantenach i supersoczewkach. Z jakiegoś powodu najpopularniejszym medialnie zastosowaniem tzw. metamateriałów w optyce jest nie tyle technologia oglądania czegoś, co idealne urządzenie maskujące.
Łukasz Partyka
- Możemy dziś projektować materiały nie znane w świecie przyrody, które zapewniają bezprecedensową kontrolę nad światłem - pisze w "Science" Vladimir M. Shalaev z amerykańskiego Purdue University. - Metamateriały otwierają drogę do zastosowań, które uważaliśmy dotąd za niemożliwe. Shalaev jest twórcą jednego z projektów peleryny niewidki.
Czym są metamateriały? To takie substancje, o których właściwościach decyduje nie tylko skład chemiczny i struktura na poziomie atomowym. Równie ważną (jeśli nie najważniejszą) rolę odgrywają struktury większe.
Dla optyki decydujące są te metamateriały, w których elementy mają od 1 do 100 nanometrów. Ponieważ długość fali światła widzialnego mieści się w spektrum od 380 nm do 780 nm, na maleńkich przeszkodach zachodzą zjawiska falowe i taki materiał pozwala na uzyskiwanie naprawdę nienaturalnych efektów. Po wielu dekadach nieśmiałych prac teoretycznych nagle narodziła się nowa dziedzina optyki i podekscytowani naukowcy zapowiadają rzeczy, jakich świat nie widział.
Niewidzialna zbroja już wkrótce na wyposażeniu żołnierzy.
Peleryna niewidka to najbardziej medialne z zastosowań nowych materiałów. Najprawdopodobniej pierwszy strój do kamuflażu będzie raczej przypominał kosmiczną zbroję myśliwego z filmu Predator (to ten dżentelmen na zdjęciu). Tym bardziej, że wojsko (w szczególności - Armia Stanów Zjednoczonych) hojnie się dokłada do badań nad niewidzialnością.
Żeby osłona zapewniająca niewidzialność działała, trzeba skłonić światło, by opływało ją jak woda w rzece opływa kamień. Załamanie promieni świetlnych następuje na granicy ośrodków mających inny współczynnik załamania - na przykład między powietrzem a wodą, albo między warstwami powietrza o różnej temperaturze. To ostatnie ma miejsce w przypadku fatamorgany, gdy obraz dalekiej oazy jest odbijany w gorącym powietrzu nad pustynią.
Szkło, woda, powietrze i inne znane przyrodzie substancje mają zawsze dodatnie współczynniki załamania. Dzięki odpowiednim kształtom udawało się do tej pory konstruować soczewki i lustra, ale to drobiazg w porównaniu z potencjałem drzemiącym w materiałach, których współczynnik załamania światła moglibyśmy dowolnie zaprojektować. Zaczynając od takich o ujemnym współczynniku załamania.
Ujemny współczynnik załamania jest dość nienaturalny, bo czas dla fotonów poruszających się w takim ośrodku biegnie do tyłu. - Równania matematyczne dla metamateriałów są podobne do równań w Ogólnej Teorii Względności Einsteina, która opisuje jak grawitacja zakrzywia przestrzeń i czas - wyjaśnia Shalaev.
- Teoria względności pokazuje zakrzywioną naturę czasoprzestrzeni, a my jesteśmy w stanie zakrzywiać przestrzeń dla światła - potrafimy już zaprojektować malutkie urządzenia, które będą w stanie tego dokonać.
Jak do tej pory, urządzenia maskujące udało się zbudować dla mikrofal i dla czerwonego światła. Konstrukcja urządzenia działającego dla pełnego spektrum światła widzialnego (najlepiej - z przyległościami, tj. z ultrafioletem i podczerwienią) to w tej chwili marzenie wielu naukowców.
Pewien rosyjski profesor już kilka lat temu ogłosił, że mu się to udało, ale albo jego projekt natychmiast utajniono, albo peleryna gdzieś się zawieruszyła, bo nikt nie potwierdził tego dokonania.
- Oprócz wyginania światła wokół przedmiotu, który chcemy uczynić niewidzialnym, można też zrobić coś odwrotnego - skoncentrować światło w danym obszarze - podkreśla tymczasem Shalaev. - To może być użyteczne do zbierania światła słonecznego w bateriach słonecznych.
A zamiast chować się przed cudzym wzrokiem, można też lepiej widzieć.
No właśnie, poza maskowaniem, metamateriały mają mnóstwo zastosowań w optyce i okolicach. Niestety, są to zastosowania mniej medialne.
Okazuje się na przykład, że dla fal w dużej skali - zwyczajnych fal morskich - urządzenie maskujące zbudowane na falochronach pozwala tym konstrukcjom lepiej znosić niszczącą działalność żywiołu. Fale uderzają nie czyniąc szkód. Szczerze mówiąc, nie jestem pewien, czy nie czynią za to szkód na brzegu, skoro falochron jest dla nich niewidzialny. Ale wróćmy do optyki.
W ramach obiecywania ludzkości nowej generacji komputerów opartych na impulsach świetlnych, naukowcy wiele obiecują sobie po supersoczewkach i innych drobiazgach, które pozwolą wreszcie na zbudowanie alternatyw wobec tradycyjnej elektroniki. Natomiast maleńkie superanteny pozwalają nie tylko tworzyć superczułe detektory i odbiorniki, ale też nabrać optymizmu co do możliwości konstruowania nanorobotów w przewidywalnej przyszłości.
Same soczewki pozwolą oglądać pod mikroskopem optycznym obiekty obserwowane dotąd tylko za pośrednictwem mikroskopów (czy raczej - skanerów) elektronowych, które nie za bardzo nadają się np. do żywych próbek. Pierwsze soczewki z metamateriałów już stworzono, pozwalają wielokrotnie wyostrzyć obraz pod mikroskopem i nareszcie zajrzeć głęboko do wnętrza żywych komórek.
- Supersoczewka jest chyba najbardziej ekscytującym i obiecującym metamateriałem, jaki możemy sobie dziś wyobrazić - mówi Shalaev. - Może być płaska, co jest ważne, bo pozwala ją zwyczajnie dołożyć do konwencjonalnego mikroskopu i widzieć rzeczy 10 razy mniejsze niż to teraz możliwe - dodaje fizyk. - Można będzie osiągnąć rozdzielczość znacznie mniejszą niż długość fal świetlnych i zobaczyć cząsteczki takie jak DNA, wirusy i inne przedmioty po prostu za małe, by je teraz oglądać.
Ale takich cudów dokonuje się poniekąd w cieniu peleryny niewidki. Znów ten zgubny wpływ Harry'ego Pottera na kulturę masową? Sam wolę umieścić w tytule niewidzialność niż mikroskopy. Wstyd mi.
