Tempa Metamaterials: Labs Craft Invisibility Jubah, Lensa Sempurna dan Nanostructures (Kavli Roundtable)



Harga
Deskripsi Produk Tempa Metamaterials: Labs Craft Invisibility Jubah, Lensa Sempurna dan Nanostructures (Kavli Roundtable)

Dari paduan perunggu hingga komposit plastik, manusia telah membuat bahan buatan selama ribuan tahun. Namun metamaterials - bahan konvensional dengan struktur tidak konvensional yang sering menampilkan sifat baru dan tidak biasa - adalah sesuatu yang sama sekali berbeda.

Dengan mengendalikan struktur bahan pada skala nano, para ilmuwan dan insinyur telah mampu melakukan hal-hal yang pernah dianggap tidak mungkin. Bahan semacam itu telah menghasilkan kemajuan mulai dari perangkat cloaking yang membuat objek hampir tak terlihat oleh lensa yang dapat melihat detail lebih kecil dari yang sebelumnya dianggap sebagai batas fundamental resolusi optik.

Sebenarnya, para periset telah menunjukkan banyak metamaterials dengan sifat yang tidak diketahui atau sulit dicapai di alam, berinteraksi dengan gelombang cahaya dan elektromagnetik dengan cara yang tidak biasa, dan juga menunjukkan perilaku fisik yang tidak biasa.

Terobosan semacam itu hanyalah awal dari apa yang mungkin terjadi. Untuk membahas materi baru ini, Yayasan Kavli telah mengumpulkan tiga pemimpin di lapangan:

Julia Greer, profesor Ilmu dan Mekanika Material dan anggota dewan dari Institut Ilmu Nanoteknologi Kavli di Institut Teknologi California. Dia baru-baru ini membahas desain metamaterial hirarkis pada pembicaraan TEDx di CERN, acara Google's Solve for <X>, dan Forum Ekonomi Dunia di Davos.

David Smith, ketua Departemen Teknik Elektro dan Komputer dan direktur Pusat Metamaterials dan Plasmonics Terpadu di Duke University. Smith mendemonstrasikan metamaterials optik pertama pada tahun 2000, dan kemudian menggunakan metamaterials untuk menciptakan jimat tak terlihat. Dia juga telah meluncurkan beberapa perusahaan berbasis teknologi metamaterial. [Fiksi Ilmiah atau Fakta: Jubah Gaib Akan Ada Suatu Hari Ada]

Xiang Zhang, profesor Teknik Mesin dan anggota Institut Energi NanoSciences Kavli, di University of California, Berkeley. Dia juga direktur Divisi Ilmu Material di Laboratorium Energi Lawrence Berkeley di A.S.. Setelah mengembangkan lensa optik pertama yang sempurna dan merintis cara baru untuk membangun perangkat nano, ia mengembangkan perangkat jubah akustik.

Yayasan Kavli: Beberapa orang mendefinisikan metamaterials sebagai bahan dengan struktur yang tidak ada di alam. Apakah definisi ini memadai? Apakah itu benar-benar menangkap apa yang membuat metamaterials unik?

Julia Greer: Saya tidak berpikir begitu. Orang-orang telah berjuang karena sebenarnya tidak ada definisi yang bagus. Kami bertiga di meja bundar ini dengan jelas menyoroti hal ini: Xiang mengenal metamaterials yang bisa menutupi suara, David tahu tentang metamaterials yang bisa memanipulasi cahaya, dan saya mengenal metamaterials yang memiliki sifat mekanik. Kenyataan bahwa kita harus menentukan jenis metamaterial yang memberi tahu Anda bahwa definisi apa pun tidak sesederhana mengatakan bahwa itu hanya sesuatu yang tidak ada di alam. Banyak hal yang tidak ada di alam.

Putaran saya di atasnya adalah bahwa metamaterial adalah material yang sifatnya menyimpang dari apa yang diharapkan dari atom yang sama jika diulang dalam struktur atom normal. Dalam hal ini, kita bisa mengharapkan propertinya menjadi satu hal. Tapi di grid buatan atom atau kisi yang disebut, yang telah kita ciptakan, sifat-sifat itu berbeda.

Xiang Zhang: Jika Anda melihat definisi Yunani tentang "meta," itu berarti sesuatu yang melampaui biasa. Penting untuk membedakan antara metamaterials dan propertinya. Metamaterials memang dibangun dari bahan alam. Namun, mereka dapat memiliki properti, seperti indeks refraksi negatif, yang tidak ada di alam, dan itu tentu berbeda dari bahan induknya.

Namun perilaku yang tidak biasa ini tidak terbatas pada sifat optik atau akustik atau struktural saja. Bisa jadi properti apa saja. Rentang properti mereka sangat luas.

David Smith adalah pelopor dalam metamaterials. Sementara jubah tembus pandangnya mendapat banyak perhatian, dia juga telah memulai beberapa perusahaan yang memanfaatkan metamaterials untuk mencapai kinerja dan manfaat ekonomi dalam produk elektronik.
David Smith adalah pelopor dalam metamaterials. Sementara jubah tembus pandangnya mendapat banyak perhatian, dia juga telah memulai beberapa perusahaan yang memanfaatkan metamaterials untuk mencapai kinerja dan manfaat ekonomi dalam produk elektronik.
Kredit: Universitas Duke Fotografi
David Smith: Saya pikir ini adalah kesalahan untuk mendefinisikan metamaterials dalam hal sifat yang tidak ditemukan di alam, hanya karena sangat sulit untuk menciptakan hal-hal yang tidak ada di alam. Sebagai gantinya, saya rasa nilai metamaterials adalah kita bisa mendesain bahan dengan tepat, kita bisa memperluas sifat-sifatnya melebihi apa yang alam berikan dengan mudah. Saya pikir ini mungkin definisi yang lebih baik.

Contoh yang baik adalah optik transformasi, di mana kita mengubah struktur material untuk mengendalikan panjang gelombang yang dengannya akan berinteraksi. Struktur yang tepat dan terkontrol ini memungkinkan kita untuk menciptakan sifat material sesuai permintaan. Ada banyak cara untuk mencapai hal ini, namun tujuannya adalah untuk mendapatkan secara tepat sifat yang Anda inginkan dengan menciptakan struktur yang tidak mungkin atau sulit dicapai sebelumnya.

J.G: Bisakah saya menambahkan satu hal lagi? Saya berpikir bahwa bagian "meta" muncul saat kita memasuki dunia nano. Inilah saat dimensi dalam struktur mendekati dimensi energi apa pun yang mengasyikkan itu. Dalam metamaterials fotonik, misalnya, struktur sebanding dengan ukuran panjang gelombang cahaya yang berinteraksi dengannya. Dalam metamaterials mekanis saya, struktur yang berulang mendekati timbangan dari link yang menahan materi bersama-sama. Kapan pun fitur kritis kisi-kisi itu cukup kecil untuk berinteraksi dengan apa pun yang menggairahkan, saat itulah Anda mulai melihat efek yang sangat menarik ini.

TKF: Jadi apakah metamaterial itu seukuran?

J.G .: Ini bukan hanya ukuran. Bagi kami, sangat banyak kombinasi ukuran, material, dan geometri material, strukturnya. Apa yang membuat metamaterial unik adalah bahwa aspek-aspek ini tidak terlepas satu sama lain lagi.

Misalnya, metamaterials memiliki sifat unik karena mereka berinteraksi dengan kekuatan pada skala nano dengan cara yang hanya bisa kita jelaskan dengan menggunakan mekanika kuantum. Jika kita menurunkan strukturnya sampai satu meter atau satu kilometer, mereka tidak lagi menunjukkan sifat yang sama. Pada ukuran itu, kita bisa menggambarkan sifat mereka menggunakan teknik struktural konvensional dan ilmu material.

Dalam metamaterial, material, struktur, dan sifat digabungkan bersama dengan cara yang menghasilkan hasil yang tidak diharapkan. Ukuran adalah komponen besar ini, tapi hanya karena itu terkait dengan komposisi dan struktur material.

TKF: apakah semua orang setuju? Haruskah metamaterial cukup kecil untuk berinteraksi dengan ombak dan energi di sekitar mereka?

D.S .: Kami benar-benar membicarakan dua rezim yang berbeda. Beberapa karya pertama metamaterials dimulai setelah kami mulai memodifikasi kristal fotonik, yang merupakan analog optik semikonduktor. Jarak elemen pada fotonik biasanya sesuai dengan panjang gelombang yang ingin Anda gunakan.

Dalam metamaterials, ada rezim lain yang lebih kecil. Roger Walser, yang menciptakan istilah "metamaterials," mengira kita bisa menyusun bahan magnetik dengan cara baru untuk menangani panas dengan lebih baik dan memperbaiki sifat lainnya. Idenya adalah membuat elemen jauh lebih kecil daripada eksitasi yang ingin kami kelola.

Ketika kelompok kami berbicara tentang metamaterials, pada umumnya kita berarti elemen yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang yang ingin kita gunakan.

X.Z .: Itu juga benar dalam kelompok kami. Secara historis, metamaterials mengacu pada bahan dengan mengulang blok bangunan periodik yang disebut "sel satuan" yang lebih kecil dari panjang gelombang gelombang elektromagnetik, akustik, atau gelombang lainnya yang ingin kita manipulasi. Itu masih berlaku untuk Dave dan aku. Dalam arti tertentu, kita menciptakan campuran. Tapi alih-alih mendapatkan properti yang mencerminkan jumlah bahan yang kita gabungkan secara acak, sifat metamaterials bisa sangat berbeda dari hanya rata-rata sifat bahan awal.

J.G .: Itu benar-benar bagus. Ada juga perbedaan lain antara metamaterials. Satu jenis berinteraksi dengan beberapa jenis gelombang. Gelombang melewatinya, namun tidak merusak metamaterial dengan cara apapun. Lalu ada metamaterials struktural, di mana beberapa jenis gaya merusak material atau mengubah propertinya. Dari kejauhan, bahan itu terlihat seperti bahan homogen lainnya, tapi kemudian benda itu menunjukkan sifat yang tidak akan pernah Anda antisipasi.

TKF: Jadi biar aku ganti pokok pembicaraan sebentar. Baru-baru ini saya melihat referensi tentang "metamaterial" di Google Cendekia. Pada tahun 2000, peneliti menerbitkan hanya 49 makalah yang menggunakan istilah tersebut. Pada tahun 2014, jumlah tersebut melonjak menjadi lebih dari 10.000 makalah.

D.S .: Wow.

TKF: Apa yang mendorong pertumbuhan fenomenal ini, dan apa yang dikatakannya tentang bagaimana medan berubah?

D.S .: Beberapa hal mulai bersatu pada tahun 2000. John Pendry, yang baru-baru ini memenangkan Hadiah Kavli di Nanosains untuk karyanya mengenai metamaterials, telah meramalkan bahwa material terstruktur artifisial yang disebut resonator cincin split akan menghasilkan respons magnetik. Saat mencoba untuk memastikannya, kami membuat bahan kidal dengan indeks pembiasan negatif.

TKF: Bisakah anda menjelaskan apa itu kidal?

D.S .: Ini adalah bahan yang memiliki sifat yang berlawanan dengan apa yang Anda harapkan dari bahan konvensional atau natural dengan tangan kanan. Jadi bahan indeks pembiasan negatif kidal akan membengkokkan cahaya ke arah yang berlawanan dari bahan konvensional.

Kami benar-benar tidak tahu apa-apa tentang bahan indeks negatif saat kami mulai melakukan eksperimen ini. Tapi bahan indeks bias negatif memiliki banyak sifat lain yang menarik fisikawan. Misalnya, mereka juga membalikkan pergeseran Doppler dan radiasi Cherenkov.

Pada saat yang sama, Defense Advanced Research Projects Agency, atau DARPA, meminta proposal untuk membuat bahan terstruktur dengan sifat yang tidak ditemukan di alam. Bahan indeks negatif kita tentu sesuai dengan deskripsi, dan menunjukkan apa yang bisa dilakukan. Ini menjadi anak poster untuk sebuah metamaterial.

John Pendry, sementara itu, mulai bertanya-tanya bagaimana kita bisa membangunnya. Dia mengemukakan gagasan tentang lensa yang sempurna, yang menggunakan indeks negatifnya untuk mencapai resolusi yang jauh lebih tinggi daripada yang diperkirakan sebelumnya. Dia menerbitkan makalahnya beberapa bulan kemudian. Makalah itu menjelaskan bidangnya, karena ini adalah prediksi yang berlawanan dengan intuisi, bahwa Anda sebenarnya bisa menciptakan lensa yang sepenuhnya melampaui apa yang sebelumnya diyakini orang sebagai batas teoritis resolusi optik.

Tentu saja, ada banyak peringatan yang tidak saya singgung, bertahun-tahun dan diskusi dan debat bertahun-tahun. Xiang, sebenarnya, benar-benar melakukan eksperimen yang cukup meyakinkan semua orang bahwa hal-hal yang kami lihat dari bahan indeks negatif itu nyata.

Kemudian, tim kami menggunakan metamaterials untuk membuat jimat tak terlihat. Xiang menggunakannya untuk membuat perangkat yang berjubah suara. Ini semua adalah hit besar karena menunjukkan efek menarik dan fisika yang tidak dapat Anda lakukan dengan bahan konvensional. Itu benar-benar mendorong lapangan, kemampuan untuk memulai dari awal dan menciptakan materi untuk mendapatkan fisika yang Anda cari.

Struktur keramik yang rumit ini terdiri dari beberapa gulungan nano yang mirip dengan yang digunakan untuk menanamkan kekuatan pada jembatan dan bangunan. Beberapa elemennya sekecil 5 nanometer tipis. Pada ukuran itu, struktur memiliki sifat yang tidak biasa. Dalam kasus ini, biasanya keramik rapuh cukup fleksibel untuk terbentuk kembali setelah dipadatkan dalam bentuk vise.
Struktur keramik yang rumit ini terdiri dari beberapa gulungan nano yang mirip dengan yang digunakan untuk menanamkan kekuatan pada jembatan dan bangunan. Beberapa elemennya sekecil 5 nanometer tipis. Pada ukuran itu, struktur memiliki sifat yang tidak biasa. Dalam kasus ini, biasanya keramik rapuh cukup fleksibel untuk terbentuk kembali setelah dipadatkan dalam bentuk vise.
Kredit: L. Meza, L. Montemayor, N. Clarke, J. Greer / Caltech
TKF: Xiang, bisakah Anda memberi tahu kami tentang percobaan itu?

X.Z .: Karya teoritis John Pendry membuat dua prediksi. Salah satunya adalah indeks bias negatif, yang ditunjukkan David dengan gelombang mikro. Yang kedua melibatkan objek pencitraan yang lebih kecil dari beberapa ratus nanometer. Dengan lensa konvensional, benda-benda itu lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak, jadi kita tidak bisa menggunakan cahaya tampak untuk memilih rinciannya. Kami menunjukkan bahwa teori Profesor Pendry memang berhasil, dan bahwa kita bisa membayangkan benda-benda yang lebih kecil dari batas itu dengan menggunakan lensa yang sempurna.

Ini adalah saat yang menyenangkan di bidang kami. Orang-orang bekerja pada sifat akustik dan termal, dan Julia dan yang lainnya mengerjakan properti struktural. Karya John Pendry sangat menarik, dan ada banyak kejutan di sepanjang jalan.

J.G .: Saya pikir beberapa peneliti telah mengetahui bahwa jika mereka menggunakan "metamaterial" untuk menggambarkan pekerjaan mereka, mereka akan memiliki visibilitas yang lebih tinggi dengan lembaga dan jurnal pendanaan. Tapi alasan sebenarnya untuk minat tumbuh lapangan kami adalah bahwa hal itu memungkinkan kami mengakses begitu banyak wilayah yang belum dimanfaatkan. Seperti yang David dan Xiang katakan, ada banyak informasi yang muncul mengenai begitu banyak fenomena yang berbeda. Dalam beberapa kasus, kita sudah tahu apa yang kita cari, namun dalam banyak kasus, kita tidak benar-benar tahu apa yang diharapkan. Sebagai contoh, kita tidak pernah menduga nanolattice keramik kita untuk pulih dari kompresi seperti yang terjadi.

TKF: Anda mengacu pada percobaan baru-baru ini. Anda membangun kisi tiga dimensi dari tabung keramik tipis, menghancurkannya dengan warna yang jelas, dan kembali terbentuk, bukan? Anda tidak mengharapkan hal itu terjadi?

J.G .: Oh, sama sekali tidak. Tidak mungkin. Kami benar-benar kaget. Kami benar-benar memiliki video saat instrumen kami tidak berfungsi. Alih-alih berhenti di mana seharusnya, itu hanya terjepit heck keluar dari nanolattice. Anda pasti mengharapkan kisi menjadi super, super rusak. Dan, pasti, potongan kecil itu terbang. Tapi saat kami melepaskan muatan, itu pulih kembali dan terpental kembali ke bentuk semula.

Ini adalah efek nyata yang tidak dapat diprediksi sebelumnya, dan itu menarik. Kami menyebutnya "metamaterials" karena tidak ada kata yang lebih baik, tapi sebenarnya mereka? Mereka adalah bahan yang memiliki semua efek dan sifat tak terduga ini. Alasan mengapa, setidaknya di dunia kita, adalah interaksi yang sangat rumit antara komposisi dan struktur material pada dimensi nano. Anda tidak akan pernah melihat efek ini di tempat lain. Seiring peneliti belajar membangun struktur ini, kita menemukan lebih banyak fenomena. Masih banyak lagi yang bisa kita pelajari, dan sangat masuk akal jika bidang ini meledak.

Juga, metamaterials mengajarkan kita bahwa kita bukan lagi budak dengan properti yang digabungkan. Di dunia saya, misalnya, kepadatan selalu digabungkan ke setiap atribut mekanis tunggal. Bahan ringan seperti aluminium selalu lebih lemah dari bahan padat seperti baja. Apa yang ditunjukkan oleh pekerjaan kita, untuk memilih satu contoh, adalah bahwa Anda dapat mengurangi berat badan dengan beberapa urutan besarnya sambil tetap mempertahankan kekuatan yang sama persis. Tidak ada kopling densitas dan kekuatan. Jadi, itu benar-benar menggeser cara kita memikirkan materi.

TKF: Jelas, kita belajar banyak tentang metamaterials. Jadi, apakah kita memahami teori di baliknya dengan cukup baik untuk menciptakan bahan dengan sifat yang kita inginkan?

J.G .: Kami beberapa tahun lagi, setidaknya dalam bahan mekanis tempat kami bekerja. Kita tahu banyak tentang sifat bahan. Yang kita butuhkan adalah alat yang memberitahu kita bahwa jika kita menginginkan kekuatan dan kerapatan ini, kita menggunakan bahan dan struktur ini. Alat itu tidak ada sampai sekarang. Tapi kita semakin dekat untuk mengisi perpustakaan informasi yang diperlukan untuk membuat prediksi tersebut.

D.S .: Di sisi elektromagnetik, ini adalah masalah yang cukup dipecahkan. Jika kita menginginkan properti tertentu, kita tahu cara mendapatkannya. Semuanya telah benar-benar dapat diprediksi dengan sempurna sejak tahun 2000, karena itulah yang harus kami lakukan untuk membuat bahan indeks dan optik transformasi negatif, yang benar-benar memerlukan struktur sempurna. Di sisi akustik, rekan saya di Duke, Steve Cummer, dan Xiang, juga dapat memprediksi struktur yang mereka butuhkan.

Xiang Zhang telah memainkan peran penting dalam membuktikan bahwa metamaterials dengan indeks bias negatif memang mungkin dilakukan. Dia juga menciptakan jubah akustik yang meredam suara dan teknik untuk memproduksi metamaterials secara massal.
Xiang Zhang telah memainkan peran penting dalam membuktikan bahwa metamaterials dengan indeks bias negatif memang mungkin dilakukan. Dia juga menciptakan jubah akustik yang meredam suara dan teknik untuk memproduksi metamaterials secara massal.
Kredit: Foto milik Lawrence Berkeley National Laboratory; © 2010 Bupati Universitas California, Lawrence Berkeley National Laboratory
X.Z .: Ya, seseorang dapat memprediksi properti untuk struktur tertentu setelah dirancang. Namun ada sisi lain dari cerita ini. Ini melibatkan penjelajahan properti yang benar-benar tidak diketahui, hal-hal yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan. Metamaterial indeks negatif masuk dalam kategori itu satu kali.

Contoh lain melibatkan molekul dengan simetri yang tidak biasa. Biasanya, termodinamika reaksi kimia mendorongnya untuk menghasilkan molekul dengan jenis simetri tertentu. Sebagai contoh, dua molekul dapat saling ikatan end-to-end atau sisi-ke-sisi. Ahli kimia telah mencoba mensintesis molekul untuk menunjukkan jenis simetri lainnya selama berabad-abad - misalnya, cincin bengkok, simetri Mobius dalam-dalam - namun gagal. Kami telah menemukan cara untuk melakukan itu, tapi dibutuhkan banyak intuisi desain. Pertanyaan sulitnya adalah, bisakah kita menemukan cara untuk merancang sel satuan untuk properti yang diinginkan?

TKF: Jadi, desain Anda dimulai dengan unit pengulangan dasar, sel satuan. Seperti yang telah kita bahas sebelumnya, kebanyakan metamaterials terdiri dari struktur berulang ini. Tapi karya metamaterial Julia bekerja dengan hierarkis, yaitu struktur mulai dari skala nano dan berubah saat mereka tumbuh semakin besar.

J.G .: Ya Alam membangun hirarki ke dalam bahan kerasnya, seperti kerang, kulit kepiting dan bahkan organisme primitif seperti diatom. Lautan menggemparkan mereka dan mengarahkan mereka ke suhu dan tekanan yang ekstrem, namun tidak pecah. Tapi jika Anda memikirkannya, mereka 99 persen keramik. Mereka harus istirahat, seperti kaca. Jadi ada sesuatu tentang konstruksi bahan-bahan ini yang membuat mereka sangat merusak toleran.

Desain mereka sangat pandai. Beberapa menggunakan protein lembut untuk merekatkan trombosit keramik mereka bersamaan dan menyerap kejutan. Yang lain menggunakan udara. Diatom, misalnya, terbuat dari silika - kaca - dengan lubang di dalamnya. Jika Anda melempar botol kaca ke laut, itu akan pecah dan pasir dengan mulus ujungnya. Tapi diatom tidak pecah, dan mereka mempertahankan ciri tajamnya.

Periset sering melambaikan tangan dan mengatakan bahwa alasan sifat biomaterial begitu diperkuat adalah karena hierarki, namun ada banyak penjelasan yang bersaing mengapa ini terjadi. Jadi kita sudah mencoba membangun struktur hirarkis.

Contohnya adalah struktur yang kita hancur lalu melompat mundur. Kami mulai dengan nanotube keramik berongga yang membentuk nanotrusses segitiga yang terlihat seperti gantry pada derek raksasa. Kemudian kita membentuk nanotrus tersebut menjadi struktur orde kedua, sebuah nanolattice nanotrus.

Menambahkan hierarki membuat mereka lebih tahan terhadap toleran. Menjadi hampir tidak mungkin untuk memecahkannya. Jika Anda membuat kertas dari mereka, itu akan benar-benar robek-bukti. Ini sangat keren, seperti memegang selembar kertas yang terbuat dari awan yang benar-benar ringan tapi Anda tidak bisa merobeknya terpisah. Mengapa? Karena elemen hirarki tersebut melokalisasi kerusakan atau kerusakan pada struktur, sehingga tidak dapat menyebar.

TKF: Xiang, Anda memikirkan hierarki secara berbeda, bukan?

X.Z .: Alam juga menunjukkan kepada kita bagaimana bentuk struktur properti. Jika kita mulai dengan atom karbon, kita bisa membentuk berlian atau grafit yang sangat keras yang cukup lunak untuk digosok saat kita menggunakannya dengan pensil. Ini atom yang sama, tapi arsitekturnya, geometri atom, memberi kita sifat yang sama sekali berbeda.

Gagasan Julia tentang struktur hirarkis berada di luar itu. Saya tidak berpikir banyak orang yang telah mempelajari metamaterials elektromagnetik, optik, atau akustik telah melihat hierarki seperti itu. Tetapi ada pula yang mengeksplorasi struktur fraktal, yaitu struktur yang berulang pada skala yang berbeda, untuk antena dan benda lainnya.

TKF: Jadi, ayo beralih gigi. Sejauh ini, kami telah membicarakan eksperimen laboratorium. Seberapa jauh kita mengkomersilkan produk berdasarkan metamaterials?

D.S .: Tergantung bidang mana yang sedang kita bicarakan. Kami menemukan peluang besar untuk metamaterials dalam perangkat microwave. Itu menyebabkan tiga perusahaan spin-off. Kymeta Corporation mungkin yang paling dikenal, dan didedikasikan untuk komunikasi satelit. Ada juga Evolv Technology, yang melakukan pencitraan keamanan, dan Echodyne, yang terlibat dalam radar. Ketiganya mengkomersilkan konsep metamaterial, dan semua area produk alamat yang memiliki kebutuhan yang tidak terpenuhi, jadi ini adalah saat yang menyenangkan untuk komersialisasi.

Termodinamika cenderung mendorong reaksi kimia ke arah tertentu, menghasilkan sebagian besar bahan dengan simetri konvensional. Untuk membuat metamaterials, yang mungkin memiliki sifat yang tidak biasa, Xiang Zhang menggunakan laser untuk merangsang molekul dan memisahkan komponen yang tidak diinginkan.
Termodinamika cenderung mendorong reaksi kimia ke arah tertentu, menghasilkan sebagian besar bahan dengan simetri konvensional. Untuk membuat metamaterials, yang mungkin memiliki sifat yang tidak biasa, Xiang Zhang menggunakan laser untuk merangsang molekul dan memisahkan komponen yang tidak diinginkan.
Kredit: Lawrence Berkeley Laboratories; © 2010 Bupati Universitas California, Lawrence Berkeley National Laboratory
TKF: Kymeta adalah yang terjauh. Bisakah Anda ceritakan tentang itu?

D.S .: Ini bersiap untuk produksi antena skala besar untuk komunikasi satelit. Di masa lalu, stasiun bumi hanya bisa berkomunikasi dengan satelit dalam beberapa cara. Anda bisa menggunakan piring kecil dan stasioner yang ditujukan untuk satelit geosynchronous, yang menjaga posisi yang sama di langit. Atau Anda bisa membangun piring besar untuk melacak satelit yang bergerak, tapi harganya mahal dan memiliki semua masalah yang terkait dengan sistem fisik yang sangat masif. Pendekatan ketiga, sistem fase array, sangat mahal dan membakar sejumlah besar kekuatan.

Dengan menggunakan metamaterials dan beberapa teknologi lainnya, Kymeta memperkenalkan antena berbiaya rendah yang bisa kita kendalikan secara elektronik sehingga bisa melacak satelit yang bergerak. Ini benar-benar membuka kemungkinan komunikasi satelit dengan bandwidth tinggi di mana-mana. [Dampak Besar Nanoteknologi]

TKF: Bagaimana metamaterial membuat ini mungkin?

D.S .: Ternyata metamaterials relatif mudah disetel karena beresonansi. Jadi kita menerapkan metamaterial di atas lapisan elektronik, lalu gunakan alat elektronik untuk menyetel resonansi metamaterials.

Antena itu sendiri adalah campuran konsep lintas disiplin, konsep antena, dan rekayasa. Metamaterials memberi kita cara untuk menggabungkan beberapa teknologi yang berbeda dan memanfaatkannya untuk menciptakan alternatif berbiaya rendah ini. Hasilnya adalah antena steerable yang bisa melacak satelit yang kita inginkan, bahkan dari menggerakkan mobil atau pesawat terbang.

Itulah jenis kesempatan yang ada di luar sana. Ini paling mudah ditangani dalam rezim microwave, tapi saya pikir kita akan melihat jenis yang sama untuk gelombang inframerah, terlihat, dan terahertz selama beberapa tahun ke depan, dan juga di ruang lain seperti akustik dan material struktural.

TKF: Xiang, Anda menyebutkan sebuah proses untuk membuat metamaterials dengan simetri yang tidak biasa. Anda bisa melakukan ini secara massal, yang merupakan langkah awal menuju komersialisasi. Bisakah Anda memberi tahu kami tentang materi dan bagaimana Anda menggunakannya?

X.Z .: Seperti yang Dave sebutkan, membuat bahan indeks bias negatif masih sulit, terutama yang bekerja di ketiga dimensi. Ini adalah tantangan yang telah kita kerjakan, biaya rendah, volume tinggi, metamaterials 3D.

Misalnya, kita mencoba membuat bahan indeks negatif dengan self-assembly. Ini adalah cara yang berpotensi ekonomis untuk membuat banyak bahan ini. Tapi termodinamika perakitan sendiri biasanya memberi Anda bahan yang sangat simetris. Tapi jika Anda menginginkan metamaterials dengan sifat yang sangat unik, terutama di ketiga dimensi, mereka perlu sedikit simetri. Jadi apa yang telah kita lakukan adalah mengembangkan proses self-assembly dengan mekanisme koreksi diri. Kami melakukan ini dengan partikel tersuspensi dalam cairan. Bila geometri yang diinginkan benar, mereka akan saling mengikat. Jika tidak, mereka akan menghancurkan diri mereka sendiri.

TKF: Begitu Anda membuat materi ini, apakah itu berguna?

X.Z .: Ya, tentu saja. Kita bisa menggunakan metamaterials dengan indeks bias negatif untuk mengendalikan sinar optik, atau membuat lensa yang bisa memotret benda-benda kecil, seperti virus, dengan resolusi super. Perangkat ini dapat memusatkan sinar laser ke skala nanometer, membuat antarmuka dengan elektronik nano jauh lebih mudah. Menjembatani perbedaan ukuran membuat perangkat ini sangat bertenaga. Itu adalah sesuatu yang sangat unik. Sebenarnya, kami menggunakan bahan ini untuk merancang perangkat microwave yang dapat memanipulasi data dalam jaringan kuantum dengan cara yang secara drastis akan meningkatkan efisiensi.

Julia Greer dari Caltech adalah pemimpin dalam mengembangkan metamaterials struktural nano yang menunjukkan sifat mekanik yang tidak biasa.
Julia Greer dari Caltech adalah pemimpin dalam mengembangkan metamaterials struktural nano yang menunjukkan sifat mekanik yang tidak biasa.
Kredit: L. Meza, L. Montemayor, N. Clarke, J. Greer / Caltech
TKF: Bagaimana denganmu, Julia. Seberapa jauh kita dari peningkatan dalam sistem mekanis?

J.G .: Dunia kita sedang berjuang dengan hak ini sekarang. Kami menggunakan proses yang disebut dua-foton litografi, untuk menghasilkan struktur yang sangat kecil, mungkin 100 mikron kubus, dari potongan bahan lager. Jika kita ingin mereka berguna, kita harus meningkatkan jumlah perangkat yang kita hasilkan, daripada mencoba menghasilkan perangkat yang lebih besar.

Sayangnya, litograf dua foton sangat bagus dalam menciptakan struktur nano yang sangat halus, namun tidak dapat ditingkatkan untuk menskalakan sama sekali. Beberapa orang telah menyarankan sebuah teknik yang disebut interferensi litografi, yang mengukir hal-hal kecil dengan menggunakan pola interferensi yang diciptakan oleh dua sinar cahaya. Ini tidak dapat menghasilkan fitur yang serumit yang kita buat dengan litograf dua foton.

Selain itu, litografi interferensi umumnya digunakan untuk membuat benda dua dimensi. Itu bagus untuk permukaan pola yang berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik. Tapi untuk bahan struktural, kita perlu membangun dalam tiga dimensi karena mereka perlu berinteraksi dengan kekuatan fisik. Untuk melakukan itu, kita membutuhkan alat yang memungkinkan kita membuat sistem hirarkis dari skala nano ke atas. National Science Foundation baru-baru ini mengeluarkan seruan untuk jenis peralatan baru, jadi kita akan melihat apakah ada teknologi menjanjikan lainnya di luar sana.

TKF: Kami telah berbicara tentang mengkomersilkan metamaterials. Sekarang saya ingin Anda mundur sejenak dan melihat gambaran besarnya. Apa yang Anda lihat sebagai tantangan besar dalam metamaterials?

J.G .: Skalabilitas. Itulah hambatan utama saat ini. Faktor pembatasnya adalah menulis struktur awal, dan itulah yang secara agresif kita jalani di kelompok saya saat ini.

D.S .: Saya selalu buruk dengan tantangan besar ini. Sebagai gantinya, kita beralih dari satu hal yang menarik ke yang berikutnya. Tapi saya akan mengatakan bahwa tantangan kita yang terus berlanjut adalah mengidentifikasi area penelitian yang berpotensi menarik sehingga kita dapat beralih ke dunia nyata.

Jika Anda seorang pakar topikal - peneliti, pemimpin bisnis, penulis atau inovator - dan ingin berkontribusi sepotong op-ed, <a href="mailto:expertvoices@techmedianetwork.com"> email kami di sini </a>.
Jika Anda seorang pakar topikal - peneliti, pemimpin bisnis, penulis atau inovator - dan ingin memberi kontribusi sepotong op-ed, kirimkan email kepada kami di sini.
Kredit: SPACE.com
Ini benar-benar pertanyaan pemasaran. Ada banyak hal yang benar-benar menarik tetapi tidak memiliki kesempatan untuk membuatnya ke pasar karena mereka tidak memiliki aplikasi nyata atau mereka tidak akan pernah praktis. Jadi, kami berusaha keras untuk menemukan penggunaan perangkat metamaterial potensial, karena tanpa beberapa aplikasi yang menarik secara komersial, lapangan akan mulai menurun.

TKF: Disampaikan seperti seorang insinyur.

D.S .: Dan untuk berpikir, saya memulai sebagai fisikawan.

TKF: Xiang, bagaimana dengan kamu?

X.Z .: Kita tentu melihat banyak tantangan. Kami ingin membuat bahan yang memiliki sifat tidak biasa di lebih dari satu dimensi dalam jumlah yang cukup besar untuk aplikasi praktis.

Ada juga minat yang besar dalam menggunakan metamaterials untuk menciptakan dampak besar di bidang lain, seperti informasi pencitraan atau kuantum. Sebagai contoh, kita bekerja dengan sebuah kelompok penelitian di Austria untuk memvalidasi teori tentang sifat kuantum yang tidak dapat kita uji di masa lalu. Kami mungkin atau mungkin tidak berhasil, tapi saya pikir kita bisa menggunakan metamaterials untuk menciptakan platform eksperimental baru untuk menguji banyak teori menarik. Ada banyak kemungkinan.

Ikuti semua masalah dan perdebatan dalam Suara Pakar - dan jadilah bagian dari diskusi - di Facebook, Twitter, dan Google+. Pandangan yang diungkapkan adalah pendapat penulis dan tidak mencerminkan pandangan penerbit. Versi artikel ini awalnya diterbitkan di Space.com .Baca juga: plakat kayu
5 24
Copyright © 2015. OKEbutik Template Allright reserved.