Początek roku służy spoglądaniu w przyszłość i snuciu planów mających odmienić świat lub przynajmniej nasze własne życie. Przyjrzyjmy się zatem dziedzinie fizyki i inżynierii obiecującej stworzenie technologii, które wcześniej wydawały się po prostu fizycznie niemożliwe, a nawet doprowadziły do spełnienia pewnej bajkowej fantazji.
Władza nad materią
Właściwości większości materiałów, z którymi spotykamy się w przyrodzie oraz tych, które od tysięcy lat w coraz bardziej świadomy sposób sami wytwarzamy w procesach chemicznych, są pochodną ich budowy cząsteczkowej. Bogactwo możliwych do uzyskania w ten sposób konfiguracji jest praktycznie niewyczerpane, oferując nam coraz ciekawsze osiągnięcia inżynierii materiałowej, jednak ograniczając się tylko do manipulowania molekularną strukturą materii pozostaniemy zawsze w obszarze o skończonym zasobie dostępnych pierwiastków oraz możliwych sposobów ich łączenia. Sprawia to, że niektórych efektów tą metodę nie będziemy jednak w stanie uzyskać, a bardzo długo sądziliśmy nawet, że osiągnięcie ich nigdy nie stanie się dla nas fizycznie możliwe.
Istnieją jednak również takie obiekty, których charakterystyka zależy nie tylko od tego z jakich atomów i związków chemicznych zostały wykonane, ale wynika również z ich wewnętrznej architektury w skali większej niż cząsteczkowa. Z substancjami takimi spotykamy się sporadycznie w środowisku naturalnymi oraz pośród form biologicznych, a w ostatnich latach zaś prowadzimy intensywne badania nad ich możliwościami i sposobami produkcji.
Optyka
Przykłady metamateriałów, które widział zapewne każdy z nas to: tęczowa plama oleju, bańka mydlana, opalizujące pióra i skrzydła motyli. Kolory nie powstają tutaj dzięki zawartości odpowiedniego barwnika, ale są efektem występowania warstw materiału o grubości odpowiadającej długości fal światła widzialnego. Promienie odbite na granicach takiej warstwy interferują ze sobą, wzmacniając określone przedziały widma. Na podobnej zasadzie działają również inne metamateriały, swoje szczególne cechy wykazując dzięki obecności struktur o wymiarach porównywalnych z długością fal elektromagnetycznych bądź akustycznych, z którymi wchodzą i interakcje.
Interesujący obszar poszukiwań stanowią supersoczewki. Są one płaskie, bardzo cienkie, nie tworzą zniekształcających aberracji optycznych, oferując jednocześnie dużą głębię ostrości oraz możliwość pracy poniżej granicy dyfrakcji, czyli ogniskowania punktów o średnicy kilkukrotnie mniejszej niż wymiar fali świetlnej. Bazujące na nich obiektywy sprawdziłyby się idealnie w zminiaturyzowanych modułach optycznych elektroniki przenośnej, mogąc rysować bardziej wyraźne obrazy na istniejących już matrycach, w których upakowanie elementów światłoczułych przekracza już dziś często fizyczną rozdzielczość możliwą do uzyskania w torze optycznym zbudowanym z klasycznych soczewek. Mogą one również umożliwić gęstszy niż dotąd zapis na optycznych nośnikach danych.
Bardziej egzotyczne narzędzie stanowią holograficzne filtry optyczne pozwalające na niezwykle selektywne tłumienie wąskich obszarów widma. Mogą one skutecznie chronić przed odblaskami światła laserowego, nie redukując jednocześnie jasności obrazu, ani nie przekłamując jego kolorów.
Urządzeniem, które większości z nas przyda się zapewne w najmniejszym stopniu, nawet jeśli w dzieciństwie zdarzało nam się o nim wielokrotnie marzyć jest “czapka niewidka” lub raczej rodzaj płaszcza. Dostępna technologia pozwala obecnie wykonać osłonę mogącą ukryć przed naszym wzrokiem jedynie obiekt rozmiarów spinacza, jednak stworzenie kamuflażu idealnego zdolnego dosłownie “zniknąć” osobę lub pojazd, nie jest już dzisiaj jedynie fantazją z kategorii SF.
Radiotechnika
Znana od początków istnienia techniki radarowej zasada mówiła, że wielkość anteny musi odpowiadać długości odbieranej fali. Limitowała ona możliwe parametry radarów montowanych na pojazdach bądź w samolotach oraz praktycznie wykluczała możliwość wyposażania w nie małych dronów. Wykorzystanie metamateriałów pozwoliło jednak, również w tym wypadku unieważnić kolejne ograniczenie dotychczasowych technologii uznawane wcześniej za nieodwołalne i wynikające z samej fizyki. Również pękate czasze anten satelitarnych są już obecnie zastępowane przez ich mniejsze, wydajniejsze i coraz bardziej płaskie odpowiedniki.
Technika pozwalająca na efektywny odbiór sygnału posłużyć może jednak również do jego skutecznego rozproszenia. Potrzeba minimalizowania echa radarowego owocowała przez lata specyficzną i nieoptymalną aerodynamicznie geometrią kadłuba wojskowych pojazdów powietrznych. Zadanie to pełnić mogą jednak równie dobrze wewnętrzne mikrostruktury poszycia, nie pogarszając przy tym fizycznych parametrów płatowca.
Akustyka
Akustyczne odpowiedniki supersoczewek pozwalają na zwiększenie rozdzielczości obrazowania USG, również w tej dziedzinie obalając obowiązujące dotąd limity. Natomiast cienkie i nieblokujące przepływu powietrza filtry hałasu można wykorzystać chociażby w silnikach odrzutowych osiągając ponad 90% redukcję ich uciążliwości.
Sejsmika, hydrologia
Dotychczasowe podejście inżynierii lądowej w walce z falami morskimi, bądź sejsmicznymi zakładało tworzenie coraz bardziej wytrzymałych barier zdolnych bez ponoszenia uszczerbku pochłonąć ich energię. Istnieje jednak alternatywa, takie rozmieszczenie makroskopowych rezonatorów, otworów czy nawet drzew, które doprowadzi do rozproszenia fali lub skierowania jej w inną stronę.
Mira Żmijewska
