Novákoviny

Vědcům se podařilo vyvinout nový typ materiálu, tzv. 3D metamateriál, který dokáže usměrňovat ultrazvuk. V budoucnu by se mohl uplatnit při vývoji sonografů s vysokým rozlišením (ultrasonografie), při stavbě "neviditelných" ponorek, vytváření dokonalých zvukových izolací a v mnoha dalších aplikacích. Metamateriály jsou nejčastěji spojovány se snahou o docílení neviditelnosti - a platí to i v tomto případě, jen s tím rozdílem, že jde o "neviditelnost" zvukovou.

Plášť neviditelnosti je oblíbeným atributem pohádek i sci-fi literatury, donedávna se však zdálo, že jde o nesplnitelný sen. Teoreticky jde neviditelnosti dosáhnout tak, že světlo by ukrytý předmět obešlo díky mimořádně silnému elektromagnetickému nebo gravitačnímu poli, což však je prakticky nerealizovatelné. Stejný efekt by ale mělo, kdyby vlny sklouzly povrchem - a právě to umí metamateriály. Nejen pro světlo, ale i pro zvuk.

Sen vojáků

Klasické metamateriály jsou látky, jejichž struktura povrchu ovlivňuje šíření elektromagnetických vln (včetně světla) v jejich okolí. O tento jev je velký zájem, protože by kromě jiného mohl být využit při "zneviditelnění" vojenských objektů (bojových vozidel, letadel atd.), takže výzkum jde rychle kupředu. Při troše zjednodušení jejich uplatnění vypadá tak, že světlo nebo radarové vlny objekt prostě obejdou speciálně uspořádanými strukturami na jeho povrchu. Efekt pro pozorovatele by byl stejný, jako kdyby prošly dokonale průhledným prostředím v němž není žádná překážka.

obr: Neviditelnost pomocí metamateriálu. Světlo (nebo jiné vlnění) předmět "obteče po povrchu

V mnoha případech ostatně není nutné, aby byl objekt zcela neviditelný. Vojákům často postačí, když se bude zdát, že je jinde, než doopravdy je. I to umí metamateriály zařídit. Mohly by ale také znamenat revoluci v optice, protože s jejich pomocí by teoreticky bylo možné vytvářet optické systémy (dalekohledy, objektivy atd.), které by byly kompaktní a neměly nectnosti klasických čoček, jako jsou optické vady, velké rozměry a komplikovaná mechanická konstrukce.

Zatímco homogenní průhledné předměty, například sklo, voda, plyny atd., ovlivňují průchod paprsků hodnotou indexu lomu - tedy svým složením - u metamateriálů nezáleží ani tak na složení, jako na uspořádání struktur v jejich povrchu. Nejčastěji mají tyto struktury tvar u prstenců a vláken. Podmínkou je, aby jejich velikost odpovídala nebo byla menší než vlnová délka záření, na které má působit. Pro mikrovlnné záření jde o rozměry řádu centimetrů až decimetrů. To je poměrně snadno dosažitelné - ovšem z hlediska "neviditelnosti" málo významné.

Pro světlo se jedná o rozměry řádu mikrometrů, což je mnohem obtížnější. Přesto takové metamateriály existují v přírodě. Příkladem může být drahokam opál. Za světelné efekty na jeho povrchu (a tedy i klenotnickou atraktivitu a vysokou cenu) mohou mikroskopické kruhové struktury z kyseliny křemičité.

Dokonale neviditelný předmět z metamateriálu by musel obsahovat struktury navržené pro všechny vlnové délky. Zatím se zdá tato podmínka prakticky nesplnitelná, není ale vyloučeno, že nanotechnologické postupy jednou vytvoření takových materiálů umožní. Velkou nadějí v tomto směru jsou nanotechnologie, které manipulují s částicemi potřebných rozměrů.

Neviditelnost v hlubinách

Metamateriály, které mají působit v oblasti viditelného spektra, nejčastěji ovlivňují index lomu: zatímco u běžných hmot je jeho hodnota kladná, na jejich povrchu je záporná. Pro oblasti jiných vlnových délek je snaha vytvářet metamateriály ovlivňujících jiné veličiny. Například pro radiové vlny je to permeabilita nebo pemitivita - opět do záporných hodnot.

obr: Neviditelnost pro zvukové vlny by uvítali ponorkáři 

Efekt se ale nemusí uplatňovat jen u světla nebo jiných druhů elektromagnetického záření - podobným způsobem je teoreticky možné ovlivňovat i akustické vlny. Zájem je především o metamateriály, které by ovlivňovaly šíření ultrazvuku (tedy akustických vln s frekvencí vyšší než 20 kHz), protože ten se často používá k detekci různých předmětů v kapalném prostředí.

Klasickým příkladem je sonografie při vyšetřování pacientů nebo vyhledávání ponořených ponorek. Zvukové vlny se chovají podobně jako elektromagnetické: v různých prostředích se pohybují různou rychlostí a na rozhraní takových prostředí se buď lámou nebo odrážejí. Míru tohoto lomu vyjadřuje tzv. index akustického lomu - a u metamateriálů pro zvuk tedy je opět záporný.

Vědci z Výzkumného centra Paula Pascala tento materiál vytvořili jako kapalinu tvořenou pórovitými křemíkovými mikrokuličkami rozptýlenými v hydrogelu. Extrémí rozdíl v rychlosti šíření zvuku v pórovité hmotě a ve vodě roztoku dává vlastnosti metamateriálu. Hmotu lze snadno tvarovat, takže se nabízejí možnosti uplatnění i v průmyslovém měřítku. Ultrazvukový metamateriál by například mohl sloužit jako "optika" v sonografii a tím podstatně zvýšit rozlišení sonografů. Na své si přijdou i vojáci, jimž se nabízí plášť ponorek, který by neodrážel ultrazvukové vlny sonaru a tím by plavidla dokonale skryl před pronásledovateli.

Jan A. Novák

You have no rights to post comments