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.