Metamaterialien schmieden: Labore fertigen Tarnumhänge, perfekte Linsen und Nanostrukturen (Kavli Roundtable)

Alan Brown, Autor und Redakteur der Kavli Foundation, hat diesen Runden Tisch für Live Science herausgegeben Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights.

Von Bronzelegierungen bis hin zu Kunststoffkompositen werden seit Jahrtausenden künstliche Materialien hergestellt. Doch Metamaterialien - konventionelle Materialien mit unkonventionellen Strukturen, die häufig neue und ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen - sind etwas ganz anderes.

Durch die Kontrolle der Struktur von Materialien im Nanometerbereich waren Wissenschaftler und Ingenieure in der Lage, Dinge zu tun, die einst für unmöglich gehalten wurden. Solche Materialien haben Fortschritte von Tarnvorrichtungen, die Objekte fast unsichtbar machen, bis hin zu Linsen, die Details sehen können, die kleiner sind als die, von denen früher angenommen wurde, dass sie die grundlegenden Grenzen der optischen Auflösung darstellen.

In der Tat haben Forscher bereits viele Metamaterialien mit Eigenschaften nachgewiesen, die in der Natur unbekannt oder schwer zu erreichen sind, auf ungewöhnliche Weise mit Licht und elektromagnetischen Wellen interagieren und auch ungewöhnliche physikalische Verhaltensweisen zeigen.

Solche Durchbrüche sind nur der Anfang dessen, was möglich ist. Um diese neue Klasse von Materialien zu diskutieren, hat die Kavli Foundation drei führende Köpfe auf diesem Gebiet zusammengebracht:

Julia Greer, Professor für Materialwissenschaften und Mechanik und Vorstandsmitglied des Kavli Nanoscience Institute am California Institute of Technology. Vor kurzem diskutierte sie das hierarchische Design von Metamaterialien bei einem TEDx-Gespräch am CERN, Googles Solve for Event und dem World Economic Forum in Davos.

David Smith, Leiter der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik und Direktor des Zentrums für Metamaterialien und integrierte Plasmonik an der Duke University. Smith führte die ersten optischen Metamaterialien im Jahr 2000 vor und verwendete Metamaterialien, um einen Tarnumhang zu schaffen. Er hat auch mehrere Unternehmen gegründet, die auf Metamaterialtechnologie basieren. [Science Fiction oder Tatsache: Tarnumhänge werden eines Tages existieren]

Xiang Zhang, Professor für Maschinenbau und Mitglied des Kavli Energy NanoSciences Institute an der University of California, Berkeley. Er ist auch Direktor der Abteilung für Materialwissenschaften des Lawrence Berkeley National Laboratory des US Department of Energy. Nach der Entwicklung der ersten perfekten optischen Linse und der Entwicklung neuer Wege zur Herstellung von nanoskaligen Geräten entwickelte er eine akustische Ummantelung.

Die Kavli-Stiftung: Manche Menschen definieren Metamaterialien als Materialien mit Strukturen, die es in der Natur nicht gibt. Ist diese Definition ausreichend? Erfasst es wirklich, was Metamaterialien einzigartig macht?

Julia Greer: Ich denke nicht. Die Leute haben gekämpft, weil es wirklich keine gute Definition gibt. Wir drei an diesem Roundtable machen dies deutlich: Xiang kennt Metamaterialien, die den Klang maskieren können, David kennt Metamaterialien, die Licht manipulieren können, und ich kenne Metamaterialien, die mechanische Eigenschaften haben. Die Tatsache, dass wir den Typ des Metamaterials spezifizieren müssen, sagt Ihnen, dass jede Definition nicht so einfach ist, wie zu sagen, dass es nur etwas ist, das in der Natur nicht existiert. Viele Dinge existieren nicht in der Natur.

Mein Spin ist, dass Metamaterialien Materialien sind, deren Eigenschaften von denen abweichen, die von denselben Atomen erwartet würden, wenn sie in einer normalen atomaren Struktur wiederholt würden. In diesem Fall könnten wir erwarten, dass seine Eigenschaften eins sind. Aber in diesen sogenannten künstlichen Gittern von Atomen oder Gittern, die wir geschaffen haben, sind diese Eigenschaften anders.

Xiang Zhang: Wenn man sich die griechische Definition von "Meta" ansieht, bedeutet das etwas, das über das Gewöhnliche hinausgeht. Es ist wichtig, zwischen Metamaterialien und ihren Eigenschaften zu unterscheiden. Metamaterialien werden tatsächlich aus Naturmaterialien gebaut. Sie können jedoch Eigenschaften wie den negativen Refraktionsindex haben, die in der Natur nicht vorkommen und die sich sicherlich von den Ausgangsmaterialien unterscheiden.

Dieses ungewöhnliche Verhalten ist jedoch nicht auf optische oder akustische oder strukturelle Eigenschaften beschränkt. Es könnte irgendeine Eigenschaft sein. Ihre Palette von Eigenschaften ist sehr breit.

David Smith: Ich denke, es ist ein Fehler, Metamaterialien in Bezug auf Eigenschaften zu definieren, die nicht in der Natur zu finden sind, einfach weil es sehr schwierig ist, Dinge zu erschaffen, die es in der Natur nicht gibt. Stattdessen denke ich, dass Metamaterialien so wertvoll sind, dass wir Materialien so präzise entwerfen können, dass wir ihre Eigenschaften über das hinaus erweitern können, was die Natur leicht bietet. Ich denke, das könnte eine bessere Definition sein.

Ein gutes Beispiel ist die Transformationsoptik, bei der wir die Struktur des Materials ändern, um die Wellenlängen zu steuern, mit denen es interagieren wird. Diese präzisen, kontrollierten Strukturen ermöglichen uns, Materialeigenschaften auf Anfrage zu schaffen. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu erreichen, aber das Ziel besteht darin, genau die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, indem Sie Strukturen erzeugen, die zuvor unmöglich oder schwierig zu erreichen waren.

J.G .: Darf ich nur noch eins hinzufügen? Ich denke, dass der "Meta" -Teil entsteht, wenn wir in den Nanobereich gelangen. Zu diesem Zeitpunkt nähern sich die Dimensionen innerhalb der Struktur den Dimensionen der Energie, die sie erregt. In photonischen Metamaterialien zum Beispiel sind die Strukturen in der Größe vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts, mit dem sie interagieren. In meinen mechanischen Metamaterialien nähern sich die sich wiederholenden Strukturen den Skalen der Verbindungen, die die Materialien zusammenhalten. Immer wenn die kritischen Merkmale des Gitters klein genug sind, um mit dem zu interagieren, was auch immer es erregt, dann fängt man an, diese sehr interessanten Effekte zu sehen.

TKF: Sind Metamaterialien alle ungefähr so ​​groß?

J.G .: Es ist nicht nur Größe. Für uns ist es die Kombination aus Größe, Material und Geometrie des Materials, seiner Struktur.Was Metamaterialien einzigartig macht, ist, dass diese Aspekte nicht mehr unabhängig voneinander sind.

Zum Beispiel haben Metamaterialien einzigartige Eigenschaften, weil sie mit Kräften auf der Nanoskala in einer Weise interagieren, die wir nur mithilfe der Quantenmechanik erklären können. Wenn wir diese Strukturen auf einen Meter oder einen Kilometer skalieren würden, würden sie nicht mehr die gleichen Eigenschaften aufweisen. Bei dieser Größe konnten wir ihre Eigenschaften im konventionellen Hochbau und in den Materialwissenschaften beschreiben.

In einem Metamaterial sind Material, Struktur und Eigenschaften so miteinander verknüpft, dass unerwartete Ergebnisse erzielt werden. Die Größe ist ein großer Bestandteil davon, aber nur, weil sie mit der Materialzusammensetzung und -struktur verbunden ist.

TKF: Stimmen alle zu? Müssen Metamaterialien klein genug sein, um mit den Wellen und der Energie um sie herum zu interagieren?

D.S .: Wir sprechen wirklich von zwei verschiedenen Regimen. Einige der ersten Arbeiten über Metamaterialien begannen, nachdem wir begonnen hatten, photonische Kristalle zu modifizieren, die optische Analoga von Halbleitern sind. Der Abstand der Elemente auf Photonen liegt normalerweise in der Größenordnung der Wellenlänge, mit der Sie arbeiten möchten.

In Metamaterialien gibt es ein anderes, kleineres Regime. Roger Walser, der den Begriff "Metamaterialien" prägte, dachte, wir könnten magnetische Materialien auf neue Weise strukturieren, um besser mit Wärme umzugehen und andere Eigenschaften zu verbessern. Seine Idee war, Elemente viel kleiner als die Erregungen zu machen, die wir versuchten zu verwalten.

Wenn unsere Gruppe von Metamaterialien spricht, meinen wir im Allgemeinen Elemente, die viel, viel kleiner sind als die Wellenlängen, mit denen wir arbeiten wollen.

X.Z .: Das gilt auch für unsere Gruppe. Historisch bezogen sich Metamaterialien auf Materialien mit sich wiederholenden periodischen Bausteinen, die als "Elementarzellen" bezeichnet wurden und kleiner als die Wellenlänge von elektromagnetischen, akustischen oder anderen Wellen waren, die wir manipulieren wollten. Das ist immer noch der Fall für Dave und mich. In gewissem Sinne schaffen wir Mischungen. Aber anstatt Eigenschaften zu erhalten, die die Menge an Materialien widerspiegeln, die wir zufällig kombinieren, können die Eigenschaften von Metamaterialien sehr von der einfachen Mittelung der Eigenschaften der Ausgangsmaterialien abweichen.

J.G .: Das ist ein wirklich guter Punkt. Es gibt noch eine weitere Unterscheidung zwischen Metamaterialien. Ein Typ interagiert mit einer Art von Welle. Die Welle passiert sie, aber beschädigt das Metamaterial in keiner Weise. Dann gibt es strukturelle Metamaterialien, bei denen eine Art von Kraft das Material verformt oder seine Eigenschaften verändert. Aus der Entfernung sieht das Material aus wie jedes andere homogene Material, aber dann zeigt es Eigenschaften, die Sie nie erwarten würden.

TKF: Lassen Sie mich für einen Moment das Thema wechseln. Ich habe kürzlich in Google Scholar nach Referenzen zu "Metamaterial" gesucht. Im Jahr 2000 veröffentlichten Forscher nur 49 Artikel, die diesen Begriff verwendeten. Im Jahr 2014 stieg diese Zahl auf mehr als 10.000 Papiere.

D.S .: Beeindruckend.

TKF: Was hat dieses phänomenale Wachstum vorangetrieben und was sagt es darüber, wie sich das Feld verändert?

D.S .: Im Jahr 2000 kamen mehrere Dinge zusammen. John Pendry, der kürzlich für seine Arbeiten über Metamaterialien den Kavli-Preis für Nanowissenschaft erhielt, hatte vorhergesagt, dass ein künstlich strukturiertes Material, das als Split-Ring-Resonator bezeichnet wird, eine magnetische Antwort erzeugen würde. Bei dem Versuch, dies zu überprüfen, haben wir ein linkshändiges Material mit negativem Brechungsindex erzeugt.

TKF: Kannst du erklären, was ein linkshändiges Material ist?

D.S .: Es ist ein Material, das Eigenschaften hat, die das Gegenteil von dem sind, was man von einem konventionellen oder natürlichen, rechtshändigen Material erwartet. Ein linkshändiges Material mit negativem Brechungsindex würde also Licht in die entgegengesetzte Richtung eines herkömmlichen Materials biegen.

Wir wussten wirklich nichts über negative Indexmaterialien, als wir mit diesen Experimenten begannen. Aber negative Brechzahlmaterialien haben viele andere Eigenschaften, die Physiker interessierten. Zum Beispiel kehren sie auch die Doppler-Verschiebung und die Cherenkov-Strahlung um.

Gleichzeitig forderte die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Vorschläge zur Schaffung strukturierter Materialien mit Eigenschaften, die in der Natur nicht zu finden sind. Unser negatives Indexmaterial passte sicherlich zur Beschreibung und zeigte, was getan werden könnte. Es wurde zum Aushängeschild für ein Metamaterial.

John Pendry begann sich zu fragen, wie wir darauf aufbauen könnten. Er kam auf diese Idee des perfekten Objektivs, das seinen negativen Index verwendete, um eine viel höhere Auflösung zu erreichen, als bisher angenommen wurde. Er veröffentlichte seine Arbeit einige Monate später. Dieses Papier definierte das Feld, weil es so eine kontraintuitive Vorhersage war, dass man tatsächlich eine Linse schaffen konnte, die das übertraf, was früher jeder für die theoretische Grenze der optischen Auflösung gehalten hatte.

Natürlich gibt es viele Vorbehalte, die ich nicht berücksichtige, all die Jahre und Jahre der Diskussion und Debatte. Tatsächlich hat Xiang das Experiment gemacht, das fast alle davon überzeugt hat, dass die Dinge, die wir von negativen Indexmaterialien sahen, echt waren.

Später verwendete unser Team Metamaterialien, um einen Tarnumhang zu schaffen. Xiang benutzte sie, um ein Gerät zu kreieren, das den Klang verdeckte. Das waren alles große Hits, denn sie zeigten interessante Effekte und Physik, die man mit konventionellen Materialien nicht erreichen kann. Das hat das Feld wirklich angetrieben, die Fähigkeit, von vorne anzufangen und ein Material zu erstellen, um die Physik zu bekommen, nach der du suchst.

TKF: Xiang, kannst du uns etwas über dieses Experiment erzählen?

X.Z .: John Pendrys theoretische Arbeit machte zwei Vorhersagen. Einer war der negative Refraktionsindex, den David mit Mikrowellen demonstrierte. Die zweite beinhaltete die Abbildung von Objekten, die kleiner als ein paar hundert Nanometer sind.In herkömmlichen Objektiven sind diese Objekte kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, so dass wir kein sichtbares Licht verwenden können, um ihre Details auszusuchen. Wir haben gezeigt, dass Professor Pendrys Theorie tatsächlich funktioniert und dass wir Objekte, die kleiner als diese Grenze sind, mit einer perfekten Linse darstellen können.

Es ist eine aufregende Zeit in unserem Bereich. Die Leute arbeiten an akustischen und thermischen Eigenschaften, und Julia und andere arbeiten an strukturellen Eigenschaften. John Pendrys Arbeit ist wirklich aufregend und es gab viele Überraschungen auf dem Weg.

J.G .: Ich denke, einige Forscher haben gelernt, dass sie, wenn sie "Metamaterialien" verwenden, um ihre Arbeit zu beschreiben, eine größere Sichtbarkeit bei den Förderagenturen und -zeitschriften haben werden. Aber der wahre Grund für das wachsende Interesse unseres Feldes ist, dass es uns Zugang zu so viel unerschlossenem Territorium ermöglicht. Wie David und Xiang sagten, gibt es eine Fülle von Informationen über so viele verschiedene Phänomene. In einigen Fällen wissen wir bereits, wonach wir suchen, aber in vielen Fällen wissen wir nicht wirklich, was wir erwarten können. Zum Beispiel haben wir nie erwartet, dass sich unser keramisches Nanolack von der Kompression erholen würde.

TKF: Sie beziehen sich auf ein neues Experiment. Sie haben ein dreidimensionales Gitter aus dünnen Keramikrohren gebaut, es in einem Schraubstock zerquetscht und es ist wieder in Form gekommen, richtig? Du hast nicht erwartet, dass das passiert?

J.G .: Oh, absolut nicht. Es gab keinen Weg. Wir waren wirklich geschockt. Wir haben jetzt ein Video, in dem unser Instrument versagt hat. Anstatt aufzuhalten, wo es sein sollte, hat es einfach den Nanolack zerquetscht. Sie würden erwarten, dass das Gitter super, super beschädigt ist. Und, sicher, kleine Teile davon flogen davon. Aber als wir die Ladung entfernten, erholte sie sich und prallte zurück in ihre ursprüngliche Form.

Das waren echte Effekte, die vorher niemand vorhersagen konnte, und das ist aufregend. Wir nennen sie "Metamaterialien" für das Fehlen eines besseren Wortes, aber was genau sind sie? Sie sind Materialien, die all diese unerwarteten Effekte und Eigenschaften haben. Der Grund dafür ist, zumindest in unserer Welt, das sehr komplizierte Zusammenspiel zwischen Materialzusammensetzung und Struktur im Nanometermaßstab. Sie würden diese Effekte nirgendwo anders sehen. Wenn Forscher lernen, diese Strukturen aufzubauen, entdecken wir immer mehr Phänomene. Es gibt so viel mehr, was wir lernen können, und es macht durchaus Sinn, dass dieses Feld explodiert.

Auch Metamaterialien lehren uns, dass wir nicht länger Sklaven von gekoppelten Eigenschaften sind. In meiner Welt zum Beispiel wurde die Dichte immer an jedes einzelne mechanische Attribut gekoppelt. Leichtgewichtige Materialien wie Aluminium waren schon immer schwächer als dichtere Materialien wie Stahl. Was unsere Arbeit gezeigt hat, ist zum Beispiel, dass Sie das Gewicht um mehrere Größenordnungen reduzieren können, während Sie genau die gleiche Stärke beibehalten. Es gibt keine Kopplung von Dichte und Stärke. Also, es verschiebt wirklich die Art, wie wir über Materialien denken.

TKF: Klar, wir lernen viel über Metamaterialien. Also, verstehen wir die Theorien hinter ihnen gut genug, um Materialien mit den gewünschten Eigenschaften zu schaffen?

J.G .: Wir sind ein paar Jahre davon entfernt, zumindest in den mechanischen Materialien, mit denen wir arbeiten. Wir wissen viel über Materialeigenschaften. Was wir brauchen, ist ein Werkzeug, das uns sagt, dass wir, wenn wir diese Stärke und Dichte wollen, dieses Material und diese Struktur verwenden. Dieses Werkzeug existiert heute nicht. Aber wir nähern uns dem Auffüllen der Informationsbibliothek, die notwendig ist, um diese Vorhersagen zu treffen.

D.S .: Auf der elektromagnetischen Seite ist es ein ziemlich gelöstes Problem. Wenn wir bestimmte Eigenschaften haben wollen, wissen wir, wie man sie bekommt. Seit dem Jahr 2000 ist alles perfekt vorhersehbar, denn genau das mussten wir tun, um negative Indexmaterialien und Transformationsoptiken herzustellen, die wirklich perfekte Strukturen benötigen. Auf der akustischen Seite kann mein Kollege bei Duke, Steve Cummer und Xiang, auch die Strukturen vorhersagen, die sie brauchen.

X.Z .: Ja, man kann die Eigenschaften für eine bestimmte Struktur vorhersagen, sobald sie einmal entworfen wurde. Es gibt jedoch eine andere Seite der Geschichte. Dies beinhaltet die Erforschung wirklich unbekannter Eigenschaften, Dinge, die vorher nicht möglich waren. Negative Indexmetamaterialien fielen einmal in diese Kategorie.

Ein anderes Beispiel betrifft Moleküle mit ungewöhnlichen Symmetrien. Gewöhnlich treibt die Thermodynamik einer chemischen Reaktion dazu, Moleküle mit bestimmten Arten von Symmetrien zu erzeugen. Zum Beispiel können zwei Moleküle Ende-zu-Ende oder Seite-an-Seite binden. Chemiker haben versucht, Moleküle zu synthetisieren, um andere Arten der Symmetrie für Jahrhunderte zu zeigen - zum Beispiel, verdrehter Ring, von innen nach außen Möbius-Symmetrie - aber gescheitert. Wir haben einen Weg gefunden, dies zu tun, aber es erforderte viel Design-Intuition. Die schwierige Frage ist, können wir den Weg finden, um die Elementarzelle für eine gewünschte Eigenschaften zu entwerfen?

TKF: Ihr Design beginnt also mit einer Grundeinheit, einer Einheitszelle. Wie bereits erwähnt, bestehen die meisten Metamaterialien aus diesen sich wiederholenden Strukturen. Aber die Metamaterialien, mit denen Julia arbeitet, sind hierarchisch, das heißt, die Strukturen beginnen im Nanobereich und verändern sich, wenn sie immer größer werden.

J.G .: Ja. Die Natur baut eine Hierarchie in ihre harten Materialien wie Muscheln, Krabbenschalen und sogar primitive Organismen wie Diatomeen. Der Ozean schlägt sie herum und unterwirft sie extremen Temperaturen und Drücken, aber sie brechen nicht. Aber wenn Sie darüber nachdenken, sind sie zu 99 Prozent aus Keramik. Sie sollten brechen, wie Glas. Da ist etwas an der Konstruktion dieser Materialien, die sie besonders schadenstolerant macht.

Ihr Design ist sehr clever. Manche verwenden ein weiches Protein, um ihre Keramikplättchen aneinander zu kleben und Stöße zu absorbieren. Andere benutzen Luft. Diatomeen zum Beispiel bestehen aus Quarzglas - mit Löchern darin.Wenn Sie eine Glasflasche in den Ozean werfen, wird es brechen und der Sand mit glatten Kanten. Aber Kieselalgen brechen nicht auseinander und behalten ihre scharfen Eigenschaften.

Forscher winken oft mit ihren Händen und sagen, dass der Grund, warum Biomaterialeigenschaften so verstärkt werden, auf der Hierarchie beruht, aber es gibt viele konkurrierende Erklärungen dafür, warum dies so ist. Wir haben also versucht, hierarchische Strukturen aufzubauen.

Ein Beispiel sind die Strukturen, die wir zerquetschten und dann zurücksprangten. Wir begannen mit hohlen keramischen Nanoröhren, die dreieckige Nanorüsse bildeten, die wie ein Portal an einem riesigen Kran aussehen. Dann bilden wir diese Nanorossen zu einer Struktur zweiter Ordnung, einem Nanoraum aus Nanorussen.

Das Hinzufügen einer Hierarchie macht sie viel schadensresistenter. Es wird fast unmöglich, es zu brechen. Wenn man aus ihnen Papier machen würde, wäre es völlig reißfest. Es ist wirklich cool, wie ein Stück Papier zu halten, das aus einer Wolke besteht, die wirklich leicht ist, aber man kann es nicht zerreißen. Warum? Da diese hierarchischen Elemente Schäden oder Defekte in der Struktur lokalisieren, können sie sich nicht ausbreiten.

TKF: Xiang, du denkst anders über Hierarchien nach, oder?

X.Z .: Die Natur zeigt uns auch, wie Struktur Eigenschaften formt. Wenn wir mit Kohlenstoffatomen beginnen, können wir sehr harte Diamanten oder Graphit bilden, das weich genug ist, um es abzureiben, wenn wir es in Bleistiften verwenden. Es ist das gleiche Atom, aber die Architektur, die Geometrie der Atome, gibt uns völlig andere Eigenschaften.

Julias Ideen über hierarchische Strukturen liegen darüber hinaus. Ich glaube nicht, dass viele Menschen, die elektromagnetische, optische oder akustische Metamaterialien studiert haben, auf diese Weise Hierarchien betrachtet haben. Aber einige erforschen die fraktalen Strukturen, die sich in verschiedenen Maßstäben wiederholen, für Antenne und andere Dinge.

TKF: Also, lass uns die Gänge wechseln. Bisher haben wir über Laborexperimente gesprochen. Wie weit sind wir von der Vermarktung von Produkten auf der Basis von Metamaterialien entfernt?

D.S .: Es kommt darauf an, von welchem ​​Bereich wir sprechen. Wir haben große Möglichkeiten für Metamaterialien in Mikrowellengeräten gefunden. Das hat zu drei Spin-off-Unternehmen geführt. Die Kymeta Corporation ist wahrscheinlich die bekannteste und ist der Satellitenkommunikation gewidmet. Es gibt auch Evolv Technology, die Sicherheits-Imaging betreibt, und Echodyne, die an Radar beteiligt ist. Alle drei vermarkten Metamaterial-Konzepte, und alle adressieren Produktbereiche, die unerfüllte Bedürfnisse haben, also ist es eine aufregende Zeit für die Kommerzialisierung.

TKF: Kymeta ist am weitesten entfernt. Kannst du uns davon erzählen?

D.S .: Es bereitet sich auf die Massenproduktion von Antennen für die Satellitenkommunikation vor. In der Vergangenheit konnten Erdfunkstellen nur auf wenige Arten mit Satelliten kommunizieren. Sie können kleine, stationäre Gerichte verwenden, die auf geosynchrone Satelliten ausgerichtet sind, die die gleiche Position im Himmel behalten. Oder Sie könnten große Gerichte bauen, um sich bewegende Satelliten zu verfolgen, aber sie sind teuer und haben alle Probleme, die mit wirklich massiven physikalischen Systemen verbunden sind. Ein dritter Ansatz, Phasen-Array-Systeme, ist unglaublich teuer und brennt eine enorme Menge an Energie.

Mit Metamaterialien und einigen anderen Technologien führt Kymeta eine kostengünstige Antenne ein, die wir elektronisch steuern können, um bewegliche Satelliten zu verfolgen. Es eröffnet wirklich die Möglichkeit einer allgegenwärtigen Satellitenkommunikation mit hoher Bandbreite. [Nanotechnologie große Wirkung]

TKF: Wie ermöglichen Metamaterialien dies?

D.S .: Es stellt sich heraus, dass Metamaterialien relativ einfach abzustimmen sind, weil sie mitschwingen. Also wenden wir ein Metamaterial auf eine Schicht von Elektronik an und benutzen dann die Elektronik, um die Resonanz der Metamaterialien abzustimmen.

Die Antenne selbst ist eine interdisziplinäre Mischung aus Materialkonzepten, Antennenkonzepten und Engineering. Die Metamaterialien geben uns die Möglichkeit, verschiedene Technologien zu vereinen und sie für diese kostengünstige Alternative zu nutzen. Das Ergebnis ist eine lenkbare Antenne, die jeden beliebigen Satelliten verfolgen kann, selbst von fahrenden Autos oder Flugzeugen.

Das ist die Art von Gelegenheit, die da draußen ist. Es ist am einfachsten, im Mikrowellenbereich zu sprechen, aber ich denke, wir werden in den nächsten Jahren dieselbe Art von Infrarot-, sichtbaren und Terahertz-Wellen sehen, und auch in anderen Räumen wie Akustik und Strukturmaterialien.

TKF: Xiang, du hast einen Prozess erwähnt, um Metamaterialien mit ungewöhnlichen Symmetrien herzustellen. Sie können dies in großen Mengen tun, was ein erster Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung ist. Können Sie uns etwas über die Materialien erzählen und wie Sie sie verwenden könnten?

X.Z .: Wie Dave bereits erwähnte, ist die Herstellung von Materialien mit negativem Brechungsindex immer noch schwierig, insbesondere solche, die in allen drei Dimensionen funktionieren. Dies ist eine Herausforderung, an der wir gearbeitet haben, kostengünstige, hochvolumige 3D-Metamaterialien.

Zum Beispiel versuchen wir negative Indexmaterialien durch Selbstorganisation herzustellen. Dies ist eine potentiell wirtschaftliche Art, viele dieser Materialien herzustellen. Aber die Thermodynamik der Selbstorganisation liefert normalerweise sehr symmetrische Materialien. Aber wenn Sie Metamaterialien mit wirklich einzigartigen Eigenschaften, besonders in allen drei Dimensionen, wollen, müssen sie weniger Symmetrie haben. Wir haben also einen Selbstorganisationsprozess mit einem Selbstkorrekturmechanismus entwickelt. Wir machen das mit Partikeln, die in Flüssigkeit suspendiert sind. Wenn die gewünschte Geometrie stimmt, werden sie sich verbinden. Wenn nicht, werden sie sich selbst zerstören.

TKF: Sobald Sie diese Materialien hergestellt haben, sind sie nützlich?

X.Z .: Ja, sicher. Wir können Metamaterialien mit einem negativen Brechungsindex verwenden, um optische Strahlen zu steuern, oder eine Linse herstellen, die kleine Dinge wie ein Virus mit Superauflösung abbilden kann. Diese Geräte können Laserstrahlen bis in den Nanometerbereich fokussieren, wodurch die Schnittstelle zur nanoskaligen Elektronik viel einfacher wird.Die Überbrückung dieser Größenunterschiede macht diese Geräte sehr leistungsfähig. Das ist etwas wirklich Einzigartiges. Tatsächlich verwenden wir diese Materialien, um Mikrowellengeräte zu entwickeln, die Daten in Quantennetzwerken so manipulieren können, dass die Effizienz drastisch verbessert wird.

TKF: Was ist mit dir, Julia? Wie weit reichen wir von mechanischen Systemen?

J.G .: Unsere Welt hat gerade damit zu kämpfen. Wir verwenden ein Verfahren, das als Zwei-Photonen-Lithographie bezeichnet wird, um sehr kleine Strukturen, möglicherweise 100 Mikrometer große Würfel, aus größeren Materialstücken zu erzeugen. Wenn wir möchten, dass sie nützlich sind, müssen wir die Anzahl der von uns produzierten Geräte erhöhen, anstatt zu versuchen, ein größeres Gerät zu produzieren.

Unglücklicherweise ist die Zwei-Photonen-Lithographie gut geeignet, um sehr feine Nanostrukturen zu erzeugen, aber sie ist überhaupt nicht skalierbar. Einige Leute haben eine Technik vorgeschlagen, die Interferenzlithographie genannt wird, die kleine Dinge schnitzt, indem sie die Interferenzmuster verwendet, die durch zwei Lichtstrahlen erzeugt werden. Es kann keine Eigenschaften erzeugen, die so komplex sind wie diejenigen, die wir mit der Zwei-Photonen-Lithographie machen.

Auch Interferenzlithographie wird im Allgemeinen verwendet, um zweidimensionale Objekte herzustellen. Das ist gut für die Strukturierung von Oberflächen, die mit elektromagnetischen Wellen interagieren. Aber für strukturelle Materialien müssen wir in drei Dimensionen bauen, weil sie mit physikalischen Kräften interagieren müssen. Dafür brauchen wir Werkzeuge, mit denen wir hierarchische Systeme von der Nanoskala bis in die Zukunft schaffen können. Die National Science Foundation hat kürzlich einen Aufruf für neue Arten von Ausrüstung veröffentlicht, und wir werden sehen, ob es andere vielversprechende Technologien gibt.

TKF: Wir haben über die Kommerzialisierung von Metamaterialien gesprochen. Jetzt möchte ich, dass Sie für einen Moment zurücktreten und sich das große Bild ansehen. Was sehen Sie als große Herausforderungen in Metamaterialien?

J.G .: Skalierbarkeit Das ist die Hauptblockade gerade jetzt. Der limitierende Faktor ist die anfängliche Struktur zu schreiben, und das ist es, was wir gerade in meiner Gruppe aggressiv verfolgen.

D.S .: Ich bin immer schlecht mit diesen großen Herausforderungen. Stattdessen bewegen wir uns von einer interessanten Sache zur nächsten. Aber ich würde sagen, dass unsere fortwährende Herausforderung darin besteht, potenziell interessante Forschungsbereiche zu identifizieren, die wir in die angewandte Welt überführen können.

Es ist wirklich eine Frage des Marketings. Es gibt viele Dinge, die wirklich interessant sind, aber keine Chance haben, es auf den Markt zu bringen, weil sie entweder keine echte Anwendung haben oder nie praktisch sein werden. Daher bemühen wir uns sehr darum, Verwendungen für potenzielle Metamaterial-Geräte zu finden, denn ohne einige kommerziell überzeugende Anwendungen wird das Feld abnehmen.

TKF: Gesprochen wie ein Ingenieur.

D.S .: Und zu denken, ich begann als Physiker.

TKF: Xiang, was ist mit dir?

X.Z .: Wir sehen sicherlich viele Herausforderungen. Wir wollen Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften in mehr als einer Dimension in Mengen herstellen, die groß genug für praktische Anwendungen sind.

Es besteht auch ein großes Interesse daran, Metamaterialien zu verwenden, um in anderen Bereichen, wie Bildgebung oder Quanteninformation, eine große Wirkung zu erzielen. Zum Beispiel arbeiten wir mit einer Forschungsgruppe in Österreich zusammen, um eine Theorie über Quanteneigenschaften zu validieren, die wir in der Vergangenheit nicht testen konnten. Vielleicht gelingt es uns oder nicht, aber ich denke, wir könnten Metamaterialien verwenden, um neue experimentelle Plattformen zu schaffen, um viele interessante Theorien zu testen. Es gibt Tonnen von Möglichkeiten.