УДК 661

Метафлюидный метаматериал

Мамошина Юлия Сергеевна – аспирант Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики

Фурер Ольга Вениаминовна – кандидат филологических наук, доцент Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики

Аннотация: В этой статье представлены последние достижения в области настраиваемых метафлюидных метаматериалов. Обсуждаются реконфигурация и настройка метафлюидных метаматериалов на основе различных типов жидкостей. Хотя упомянутые в статье настраиваемые метафлюидные метаматериалы были тщательно разработаны, можно было бы изучить дополнительные потенциальные возможности для улучшения характеристик метафлюидных метаматериалов. Например, метажидкостные метаматериалы с высоким поглощением воды для микроволнового режима могут быть дополнительно усовершенствованы для стелс-приложений. Кроме того, технология 3D-печати может быть интегрирована с метафлюидными метаматериалами для реализации миниатюрных 3D-каналов для улучшения связи между метафлюидными метаматериалами и электромагнитной волной. С развитием технологий манипулирования жидкостями, особенно от микрофлюидных до нанофлюидных, можно ожидать дальнейшего развития метафлюидных метаматериалов для всего ЭМ-диапазона спектра вплоть до оптических частот со стабильной производительностью. Это обеспечит широкое применение в голографических дисплеях, идеальных поглотителях, компактных датчиках, носимых и биосовместимых оптических устройствах.

Ключевые слова: метаматериал, метафлюидный, электромагнитное излучение.

Метафлюидный метаматериал – это метаматериал, оптический отклик которого зависит от метамолекул, внесенных жидкостью. Зависимость возникает либо из-за взаимодействия флюидного фона с метамолекулой, либо из-за резонанса в метамолекуле со структурой жидкости. Различные жидкие материалы, включая воду, жидкие кристаллы и жидкие металлы, применяются для реализации метафлюидного метаматериала. Сложные технологии, такие как электрическое смещение и микрофлюидная система, использовались для активного управления метафлюидными метаматериалами, которые обеспечивают новую платформу для манипулирования электромагнитными волнами и реализации метаустройств. Жидкий фон и значительная настраиваемость метажидкостного метаматериала обещают многочисленные применения, такие как определение материала, биодетектирование, сбор энергии и визуализация, и это лишь некоторые из них [1, с. 4].

Метаматериал – это искусственный материал, состоящий из метамолекул, расположенных в виде массива субволнового периода [2, с. 10]. Метамолекула взаимодействует с электромагнитной (ЭМ) волной через рационально спроектированные конструкции, такие как разрезное кольцо резонатора, ажурная сеть [3, с. 12] и спаренные пластины. Благодаря их взаимодействию реализуются такие уникальные свойства, как отрицательное преломление], сильная оптическая активность и экстраординарное пропускание, которые открывают двери для ряда увлекательных приложений. Невидимая маскировка и трансформационная оптика интенсивно изучались путем подбора показателя преломления метаматериала в маскирующем пространстве.

С помощью суперлинз и гиперлинз на основе метаматериалов удалось преодолеть дифракционные ограничения. Идеальное поглощение или тепловое излучение было получено за счет согласования показателей преломления между метаматериалом и падающей средой. Поляризациями электромагнитной волны управляли с помощью анизотропных или хиральных метамолекул. Более того, индивидуальный контроль запаздывания фазы ЭМ волны на каждой метамолекуле был реализован с помощью специальной группы 2D метаматериала, или метаповерхности. В результате становится возможной адаптация электромагнитного волнового фронта, которая исследует приложения метаматериалов в области фокусировки плоских линз, голограмм и изображений и т. д.

Постоянно растущий спрос на оптическую передачу и обработку информации вдохновляет на разработку активного метаматериала, который манипулирует электромагнитной волной в реальном времени. Были проведены многочисленные исследования для разработки активного метаматериала либо путем настройки фонового показателя преломления, либо путем изменения конфигурации метамолекул. Полупроводники или материалы с фазовым переходом обычно используются в качестве подложки метаматериала, а их плотность свободных носителей или кристаллическая структура контролируются с помощью электрического смещения, оптической накачки и теплового эффекта и т. д. Метаматериал также может быть реконфигурированы с использованием технологии микрообработки или деформации мягкой подложки, которая активно манипулирует связью между метамолекулами и светом.

Метаматериалы обычно изготавливаются из твердого металла или диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью на твердой подложке. Настройка их диэлектрической проницаемости сильно ограничена физическими свойствами материала (плотность свободных носителей, ширина запрещенной зоны или кристаллические фазы и т. д.), в то время как реконфигурация метамолекул также ограничена жесткостью материала. Вместо этого жидкость может течь в произвольной структуре и, таким образом, способна адаптировать свой отклик электромагнитных волн при преобразовании в метамолекулы. Кроме того, жидкость можно заменять или смешивать с другими жидкостями, что позволяет значительно изменить эффективный показатель преломления. Кроме того, как хорошо известно, многие приложения с оптической поддержкой, такие как биовизуализация, обнаружение микроорганизмов, химические реакции и сбор энергии, выполняются в жидкой среде. Таким образом, междисциплинарное взаимодействие метаматериала и жидкости положит начало новой эре для приложений активного оптического контроля и биодатчиков.

Рисунок 1 иллюстрирует различные типы метаматериалов метафлюидов в соответствии с их различными внутренними флюидными материалами. Во-первых, обсуждаются жидкие фоновые метаматериалы, которые образуются путем погружения традиционных твердых метаматериалов в жидкость. Вода, как самая распространенная жидкость на земле, широко рассматривается из-за ее низкой стоимости, биосовместимости и смешиваемости с другими химическими растворами для настройки метаматериала. Жидкий кристалл, показатель преломления которого изменяется в зависимости от его ориентации, является еще одной перспективной перестраиваемой жидкой средой. Кроме того, изучаются метаматериалы, собранные из наночастиц в жидкой среде. Ориентация и расположение взвешенных наночастиц в жидкости адаптированы с помощью различных возбуждений, которые реализуют гибкую настройку оптического метаматериала.

Рисунок 1. Категории метафлюидных метаматериалов.

Жидкость может быть использована не только в качестве базы метаматериала, но также может быть преобразована в резонансную метамолекулярную структуру. Жидкость конструируется в искусственную субволновую структуру, которая обычно течет по микрожидкостным каналам, и мы называем этот тип метаматериалов метаматериалом жидкостных клеток. Вода, опять же, может служить резонансным материалом из-за ее сверхвысокой диэлектрической проницаемости в микроволновом режиме. В других режимах электромагнитных волн в качестве метафлюидного метаматериала предлагается жидкость с металлическими свойствами, такая как ртуть, галлий и сплавы аллиума. Их метамолекулу можно изменить, пропустив жидкий металл по рационально спроектированным каналам.

Жидкий фоновый метаматериал представляет собой гибридный метаматериал, в котором традиционный твердый метаматериал покрыт жидкой средой. Наночастицы, взвешенные в жидкой среде, собираются в другой вид жидкого фонового метаматериала, который реализует большую оптическую перестраиваемость за счет манипулирования расположением частиц в жидкости.

В частности, вода и химические растворы, такие как этанол или метанол, являются хорошими кандидатами для управления фоновым показателем преломления метаматериала и, таким образом, для настройки отклика электромагнитной волны. В фоновых метаматериалах ориентация кристалла изменяет эффективный показатель преломления метафлюидных метаматериалов и обычно зависит от поляризации. Ориентацией можно управлять с помощью различных возбуждений, таких как электрическое напряжение, магнитное поле, тепловой эффект и оптический нелинейный эффект. Метажидкостные метаматериалы на основе наночастиц состоят из частиц нанометрового размера в качестве резонансных структур, которые могут легко увеличить рабочую частоту до видимого диапазона. В метаматериале с жидкостными ячейками жидкость формируется в капли разного размера или впрыскивается в заданные каналы для формирования метамолекул.

Список литературы

Walser R.M. Electromagnetic metamaterials, in Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2001, p.1.
Marqués R., Martel J., Mesa F. and Medina F. Microwave Opt. Technol. Lett. 35 (2002), p. 405.
Chen M., Xiao X., Chang L., Wang C. and Zhao D. Opt. Commun. 394 (2017), p. 50.

Интересная статья? Поделись ей с другими: