Metamaterial

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Els metamaterials (del grec meta, més enllà) són “estructures dissenyades expressament a una escala menor que la longitud d'ona de la llum per tal de controlar-ne la propagació i assolir propietats físiques impossibles d'aconseguir de qualsevulla altra forma”[1] (per exemple, magnetisme a altes freqüències). Tot i que es tracta d'un terme completament nou i que ha estat definit de maneres molt diverses, hi ha dues característiques que tots els investigadors tenen presents a l'hora de fer-ho:

  • Els metamaterials són materials dissenyats pels humans, per tal que la seva resposta a les ones electromagnètiques sigui la desitjada
  • Les propietats dels metamaterials no es poden trobar a la naturalesa. És a dir, tot i estar formats habitualment per metalls o elements dielèctrics, no actuen com cap d'ells.

Habitualment aquestes noves propietats es deuen a la realització d'alteracions en l'estructura, normalment periòdiques, i no a canvis en la seva composició. Així doncs, estan constituïts per petites inhomogeneïtats que o bé formen per si soles el metamaterial o que es col·loquen dins seu, com és el cas dels cristalls fotònics. Tot plegat, es fa amb la intenció d'obtenir alteracions que es puguin observar a escala macroscòpica.

Així, a diferència de com ho fan amb la resta de materials, el comportament de les ones electromagnètiques en ells no es deu a la seva estructura atòmica, sinó que ho fa tota l'estructura. Fent servir materials com l'or (entre d'altres) col·locats de certes maneres i amb certes formes, els investigadors han aconseguit poder ser capaços de decidir quin recorregut adoptarà la llum a través del material: les ones electromagnètiques deixen de respondre als àtoms per fer-ho a l'estructura dissenyada per l'investigador. A més a més, cal senyalar que, tot i no ser en realitat homogeni, la llum actua com si ho fos perquè, tal com ja s'ha indicat, les desigualtats són a una escala més petita que no pas la longitud d'ona de les ones electromagnètiques corresponents. Quant als seus usos, recentment els objectius dels científics s'han centrat en el fet que, si es dissenyen correctament, els metamaterials poden ser capaços d'aconseguir índexs de refracció negatius. Qualsevol material que podem trobar a la naturalesa tindrà tant una permitivitat com una permeabilitat positives (o, com a mínim, una de les dues) i, per tant, en actuar-hi a sobre una ona electromagnètica, aquesta es propagarà sense quasi cap pèrdua. En canvi, quan en un material ambdues presenten un signe diferent, es pot observar que o bé el camp magnètic o l'elèctric queden diluïts, ja que l'índex de refracció es pot obtenir resultat del producte n=±√με i, si un dels dos valors és negatiu, n∈R ∄ (és a dir, n no pertany al conjunt de nombres reals i, per tant, a la pràctica no “existeix”). Si tant la permitivitat com la permeabilitat fossin negatives, fet que tan sols es pot aconseguir fent ús de metamaterials es podria arribar a observar que, a diferència del que acostuma a ocórrer, la direcció de propagació de l'ona electromagnètica seria diferent de la direcció que du l'energia i això implicaria, entre d'altres, la possibilitat de crear un medi amb un índex de refracció negatiu.

Tipus[modifica | modifica el codi]

1. Electromagnètics: Un metamaterial electromagnètic afecta les ones electromagnètiques per tenir una estructura més petita que la longitud d’ona corresponent.

  • Els metamaterials fotònics estan sent estudiats per tal de manipular la llum a nivell de freqüències òptiques.
  • Els metamaterials plasmònics utilitzen els plasmons (unitat elemental i indivisible del plasma) com a superfície, que són paquets de càrregues elèctriques que oscil·len en les superfícies dels metalls a freqüències òptiques.

2. Elàstics: Utilitzen diferents paràmetres per aconseguir un índex de refracció negatiu en materials no electromagnètics. Es poden comportar com a líquids o sòlids, que en un rang de freqüència limitat poden permetre noves aplicacions en el control de l’acústica (ones elàstiques i sísmiques).

3. Acústics: Volen manipular i dirigir el so ja sigui en gasos, líquids, sòlids, els intrasons o les ones ultrasòniques. Aquestes modificacions es fan a través del mòdul de compressibilitat (indica l’augment de la pressió requerit per causar una disminució unitària de volum). La densitat de massa i la quiralitat (molècules que no poden ser superposades a la seva imatge especular).

4. No lineals: Canvien amb la força de l’ona incident. Essencials per a l’òptica no lineal.

Les inhomogeneïtats[modifica | modifica el codi]

Dues de les inhomogeneïtats més comunes són conegudes com a SRR (split-ring resonator, és a dir, ressonador d'anell trencat) i ELC o electric-ring resonator. La primera és un anell metàl·lic que presenta una obertura. Això es deu al fet que si no la tingués, tindria una resposta dèbil al magnetisme. En canvi, en tenir-la, produeix ressonància magnètica. El que és més, si es dobla l'anell (com a la il·lustració de la figura 35), aquesta ressonància encara és més gran.


Un camp magnètic que penetri en un SRR li induirà corrents circulars en els anells, tal com s'ha dit anteriorment que fa el magnetisme en els materials. Anàlogament, en penetrar un camp elèctric en un ELC li indueix un corrent que es desplaça “amunt i avall” al llarg del seu volum. Gràcies a aquests dos afegits o a d'altres com una barra metàl·lica, es pot arribar a controlar la resposta d'un material a una ona electromagnètica. Una altra possible homogeneïtat és l'aire. Si fem un forat a un material, a partir d'aleshores, en el lloc on abans hi havia hagut aquell material, a partir d'aleshores, hi haurà aire. Doncs bé, l'aire té un índex de refracció diferent del metall. Així doncs, desviarà la llum també d'una forma diferent. Si es col·loquen els forats d'una forma adequada, podem aconseguir dirigir la llum allí on nosaltres desitgem. La peça resultant es coneix amb el nom de “cristall fotònic”.

Metamaterials plasmònics[modifica | modifica el codi]

Sota certes condicions, la llum (de freqüència visible) incident en un metall en contacte amb un material dielèctric (és a dir, no conductor) hi interacciona tot canviant el moviment dels seus electrons lliures fins a excitar la manera com es mouen en conjunt. En fer-ho, s'aconsegueixen estructures periòdiques: per exemple, en la figura de sota, hi ha llocs del metall que no tenen pràcticament electrons de més i d'altres que sí en tenen. Entre aquells llocs, que –tal com ja s'ha indicat- presenten diferents densitats d'electrons, es crea una petita però ràpida ona electromagnètica que ressona amb l'ona que incidia en el metall però que té una longitud d'ona molt més reduïda: els plasmons superficials (SPPs). Aquests podrien arribar a emprar-se com a mètode de transmissió d'informació, si la seva vida fos més llarga que la que tenen (es dissipen al cap d'uns mil·límetres). I no només per a això: camps com l'òptica o la medicina també podrien estar-hi interessats, ja que permet controlar les ones electromagnètiques i perquè podria tractar-se d'una hipotètica cura per al càncer, respectivament.

Aplicacions[modifica | modifica el codi]

Antenes Les antenes metamaterials, són una mena d'antenes que utilitzen metamaterials per millorar el seu rendiment. Les proves han demostrat que els metamaterials podien millorar una antena de potència radiada aparent. Els materials que poden aconseguir la permeabilitat negativa, permeten propietats com ara una mida petita d'antena elèctrica, així com una alta directivitat i freqüència operativa sintonitzable.

  1. Xvets, Guennadi. Plasmonics and Plasmonic Metamaterials: Analysis and Applications (en anglès). World Scientific, 2011, p.xiii. ISBN 9814355283. 

Absorbidor Un metamaterial absorbidor, manipula els components de pèrdua de permitivitat i permeabilitat magnètica, per absorbir grans quantitats de radiació electromagnètica. Aquests components de pèrdua se solen observar en les aplicacions d'índex negatiu de refracció (metamaterials fotònics, sistemes d'antena) o l'òptica de transformació, però sovint no s'utilitzen en aquestes aplicacions.

Superlent Una superlente utilitza els metamaterials per aconseguir una resolució més enllà del límit de difracció. El límit de difracció és inherent a dispositius òptics o lents convencionals.

Dispositius de camuflatge Els metamaterials tenen potencial pel que fa a dispositius de camuflatge, un mantell invisible. De moment però, no existeix.

Sísmica Els metamaterials també poden contrarestar els efectes adversos de les ones sísmiques que les estructures fetes per l'home pateixen.

  • Aquest llistat de característiques és la conclusió de la recerca d'Ari Sihvola d'una definició de metamaterial. Per a ell, a més a més, és molt complex definir-los i, segons com es faci, més o menys “invents” podran ser-ho considerats. La seva recerca va ser publicada al primer número de la revista Metamaterials sota el títol Metamaterials in electromagnètics l'any 2007 (2-11).
  • http://dx.doi.org/10.1117/6.000003 Tom G. Mackay and Akhlesh Laktakia, “Negatively refracting chiral metamaterials: a review”, SPIE Rev 1, 018003 (Jan 14, 2010)]
  • Prof. Logan Liu, UIUC Plasmonics and Metamaterials (enregistrament de vídeo). (68 minuts)
  • Plasmonics and Plasmonic Metamaterials (1a edició, pròleg i capítol 2 (Chiral photonic and plasmonic strucutres de Kin Hung Fung, Jeffrey Chi Wai Lee i Che Ting Chan)). World Cientific (World Scientific Series in Nanoscience and Nanotechnology, volum 4). Editat per Xvets, Guennady i Tsukerman, Ígor. ISBN 978-981-4355-27-8 o ISBN 981-4355-27-5

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Metamaterial Modifica l'enllaç a Wikidata