¿Qué es metamaterial?

Answer 1

Como señaló Inna Vishik, el término metamaterial es “bullicioso” y no está bien definido.

Los documentos sobre metamateriales suelen rastrear su origen hasta un oscuro (en su momento) artículo de 1968 de un científico ruso llamado Vesselago [0], quien predijo que un material hipotético con permitividad eléctrica simultánea y permeabilidad magnética exhibiría algunos efectos extraños, como la refracción negativa . La refracción significa que la luz (o el sonido) cambia de dirección cuando se cambia de un medio a otro. La refracción negativa significa que el cambio ocurre en la dirección opuesta a la de los materiales comunes (es decir, todos los materiales conocidos en la época de Veselago).

Después de un tiempo, alguien se dio cuenta de que un objeto con una estructura que contiene elementos resonantes “pequeños” parecería “desde la distancia” un material homogéneo con índices negativos, a ondas a una frecuencia cercana a la de los resonadores. Esos fueron inicialmente resonadores electromagnéticos, pero puedes utilizarlo como un conjunto de diapasones en una placa para fines de visualización. Además, cuando digo elementos resonantes “pequeños”, deben ser pequeños en comparación con la longitud de onda de la onda que interactúa con ellos, no necesitan ser pequeños en el sentido de ser de un tamaño nanométrico. Ha habido documentos sobre metamateriales acústicos que usan latas de refresco como resonadores [1]. Los metamateriales acústicos tienen un módulo de masa negativo (“rigidez”) y densidad en lugar de índices electromagnéticos negativos.

Además de la refracción negativa, los científicos se han dado cuenta de que las estructuras con resonadores locales periódicos tienen otros tipos de propiedades extrañas. Algunos de ellos pueden ser útiles o pueden comercializarse como útiles. Ejemplos de ellos son:

Imágenes de longitud de onda inferior : la resolución de cualquier sistema de imágenes basado en ondas (ya sea un microscopio, sus ojos o una máquina de ecografía) está limitada por la longitud de onda utilizada. Esto significa que una cámara que es sensible a la luz roja de 650 nm no puede distinguir objetos que son mucho más pequeños que este número. Este es un límite fundamental y no depende de la calidad de la óptica. Sin embargo, si la onda se propaga en un medio con índices negativos dobles (es decir, un metamaterial), las reglas cambian y es posible ver objetos más pequeños [2].

Materiales de banda prohibida : la idea aquí es que, cuando su “material” contiene resonadores, las ondas no pueden propagarse en algunas frecuencias cercanas a la resonancia (estas frecuencias son diferentes de aquellas en las que el metamaterial exhibe índices negativos). Esto se puede usar para crear aisladores para bloquear el ruido o la interferencia electromagnética, siempre que su ruido esté en una frecuencia fija que se conoce de antemano. Además, si los resonadores son realmente pequeños, pueden bloquear las vibraciones microscópicas que causan la propagación del calor, a fin de mejorar el aislamiento térmico del material.

Encubrimiento : la idea aquí es crear una estructura que redirija las ondas alrededor de los objetos de tal manera que los haga invisibles. Para hacer esto, el material debe ser no homogéneo, con propiedades (electromagnéticas u ópticas) que sean altamente dependientes de la posición y de la dirección de desplazamiento de la onda incidente. Dado que los resonadores locales pueden actuar esencialmente como un material con cualquier rigidez efectiva, la mayoría de las implementaciones que he visto de una capa invisible los usaron y se llamarían metamateriales.

Otro aspecto en el que los metamateriales parecen sobresalir es la “capacidad de ajuste” (esta no es una palabra real, pero a la gente le encanta escribirla en los papeles). La idea aquí es tener un metamaterial, estructura u objeto cuyas propiedades pueda cambiar. Esto se debe a que las propiedades de un metamaterial dependen mucho de los resonadores internos, y los resonadores internos pueden hacerse sensibles a cualquier cosa, de la misma manera que se puede afinar una guitarra. Desde el punto de vista de la aplicación, puede pensar en una ventana o pared que puede hacer que sea más o menos térmicamente conductor dependiendo de la temperatura exterior y su deseo de calentar o enfriar la habitación. Si bien esto es muy llamativo (y útil), si un metamaterial puede hacer esto, lo más probable es que sea extremadamente costoso y restringido a tareas esotéricas muy especializadas.

Estas aplicaciones han existido durante un tiempo, la gente ahora está acostumbrada a ellas, y algunas de ellas incluso han llegado a productos comerciales (como antenas enrutadoras [3]). Sin embargo, la idea de crear estructuras que parezcan homogéneas (como un parece “normal”), pero tiene una estructura interna artificial que les da propiedades especiales, parece estar aquí para quedarse. Esto podría incluir, por ejemplo, materiales que pueden amplificar el sonido o convertir energía entre frecuencias para hacer visible la luz infrarroja . Algunas aplicaciones metamateriales menos típicas ya han aparecido. Los ejemplos son “materiales” que conducen el sonido en una dirección pero no en la otra [4]. Esta es mi suposición personal, pero las aplicaciones más útiles probablemente aún están por descubrir. También es probable que encuentre límites duros para los metamateriales. Por ejemplo, tengo serias dudas de que sea posible hacer un metamaterial que tenga propiedades útiles para los rayos X (porque necesitaría características más pequeñas que los átomos). vistazo rápido a lo que puede venir a continuación ver [5].

Existe la pregunta de si algo con propiedades que provienen de una estructura interna artificial es un metamaterial, o si la definición debe restringirse a su alcance inicial y aplicarse solo a estructuras con propiedades negativas. Además, está la parte material. ¿Qué tan grande puede ser la estructura interna para calificar como homogénea? ¿Es un conjunto de péndulos un material? ¿Qué pasa si los péndulos tienen medio metro de largo? [6]

Referencias Algunos de ellos pueden estar detrás de un muro de pago. El dinero no va a mí y no puedo hacer mucho al respecto.

[0] http://iopscience.iop.org/0038-5…
[1] Las latas de refrescos superan el límite de difracción
[2] http://www.nature.com/nmat/journ…
[3] ¿Qué hacen realmente los metamateriales para las antenas?
[4] http://www.mechmat.ethz.ch/publi…
[5] http://www.nanophotonics.org.uk/…
[6] [1503.06808] Observación de estados de borde helicoidales fonónicos en un ‘aislante topológico’ mecánico (publicado en Science)

Answer 2

Metamaterial, un material estructurado artificialmente que exhibe propiedades electromagnéticas extraordinarias que no están disponibles o que no se pueden obtener fácilmente en la naturaleza. Desde principios de la década de 2000, los metamateriales han surgido como un área interdisciplinaria en rápido crecimiento, que involucra física, ingeniería eléctrica, ciencia de materiales, óptica y nanociencia. Las propiedades de los metamateriales se adaptan manipulando su estructura física interna. Esto los hace notablemente diferentes de los materiales naturales, cuyas propiedades están determinadas principalmente por sus componentes químicos y enlaces. La razón principal del intenso interés en los metamateriales es su efecto inusual en la luz que se propaga a través de ellos.

Los metamateriales consisten en estructuras artificiales distribuidas de forma periódica o aleatoria que tienen un tamaño y un espacio mucho más pequeños que las longitudes de onda de la radiación electromagnética entrante. En consecuencia, la onda no puede resolver los detalles microscópicos de estas estructuras individuales. Por ejemplo, es difícil ver las características finas de los metamateriales que operan a longitudes de onda ópticas con luz visible, y se necesita radiación electromagnética de longitud de onda más corta, como una radiografía, para obtener imágenes y escanearlas. Los investigadores pueden aproximar el ensamblaje de estructuras individuales no homogéneas como una sustancia continua y definir sus propiedades materiales efectivas a nivel macroscópico. Esencialmente, cada estructura artificial funciona como un átomo o una molécula en materiales normales. Sin embargo, cuando se someten a interacciones reguladas con radiación electromagnética, las estructuras dan lugar a propiedades completamente extraordinarias. (Algunos materiales naturales, como el ópalo y el óxido de vanadio, exhiben propiedades inusuales cuando interactúan con la radiación electromagnética y se les ha llamado “metamateriales naturales”. Sin embargo, los metamateriales se conocen con mayor frecuencia como materiales artificiales.

Un ejemplo de tales propiedades extraordinarias se puede ver en la permitividad eléctrica (ε) y la permeabilidad magnética (μ), dos parámetros fundamentales que caracterizan las propiedades electromagnéticas de un medio. Estos dos parámetros se pueden modificar, respectivamente, en estructuras conocidas como conjuntos de cables metálicos y resonadores de anillo dividido (SRR), propuestos por el físico inglés John Pendry en la década de 1990 y ahora ampliamente adoptado. Al ajustar el espacio y el tamaño de los elementos en los conjuntos de cables metálicos, la permitividad eléctrica de un material (una medida de la tendencia de la carga eléctrica dentro del material a distorsionarse en presencia de un campo eléctrico) se puede “ajustar” al valor deseado. (negativo, cero o positivo) a una determinada longitud de onda. Los SRR metálicos consisten en uno o dos anillos o cuadrados con un espacio en ellos que se pueden usar para diseñar la permeabilidad magnética de un material (la tendencia de un campo magnético a surgir en el material en respuesta a un campo magnético externo). Cuando un SSR se coloca en un campo magnético externo que oscila a la frecuencia de resonancia del SSR, la corriente eléctrica fluye alrededor del anillo, lo que induce un pequeño efecto magnético conocido como el momento dipolar magnético. El momento dipolar magnético inducido en el SRR se puede ajustar para estar dentro o fuera de fase con el campo oscilante externo, lo que conduce a una permeabilidad magnética positiva o negativa. De esta manera, se puede lograr el magnetismo artificial incluso si el metal utilizado para construir el SRR no es magnético.

Mediante la combinación de conjuntos de cables metálicos y SRR de tal manera que ε y μ son negativos, los materiales se pueden crear con un índice de refracción negativo. El índice de refracción es una medida de la curvatura de un rayo de luz al pasar de un medio a otro (por ejemplo, del aire al agua o de una capa de vidrio a otra). En la refracción normal con materiales de índice positivo, la luz que ingresa al segundo medio continúa más allá de lo normal (una línea perpendicular a la interfaz entre los dos medios), pero se inclina hacia o lejos de lo normal dependiendo de su ángulo de incidencia (el ángulo en el que se propaga en el primer medio con respecto a lo normal), así como en la diferencia en el índice de refracción entre los dos medios. Sin embargo, cuando la luz pasa de un medio de índice positivo a un medio de índice negativo, la luz se refracta en el mismo lado de la normalidad que la luz incidente. En otras palabras, la luz se dobla “negativamente” en la interfaz entre los dos medios; es decir, tiene lugar una refracción negativa.

Los materiales de índice negativo no existen en la naturaleza, pero según los estudios teóricos realizados por el físico ruso Victor G. Veselago en 1968, se esperaba que exhibieran muchos fenómenos exóticos, incluida la refracción negativa. En 2001, la refracción negativa fue demostrada experimentalmente por primera vez por el físico estadounidense Robert Shelby y sus colegas en las longitudes de onda de microondas, y el fenómeno se extendió posteriormente a las longitudes de onda ópticas. Otros fenómenos fundamentales, como la radiación de Cherenkov y el efecto Doppler, también se invierten en materiales de índice negativo.

Además de la permitividad eléctrica, la permeabilidad magnética y el índice de refracción, los ingenieros pueden manipular la anisotropía, la quiralidad y la no linealidad de un metamaterial. Los metamateriales anisotrópicos están organizados de modo que sus propiedades varían con la dirección. Algunos compuestos de metales y dieléctricos exhiben una anisotropía extremadamente grande, lo que permite la refracción negativa y nuevos sistemas de imágenes, como las superlentes. Los metamateriales quirales tienen una mano; es decir, no se pueden superponer a su imagen especular. Dichos metamateriales tienen un parámetro de quiralidad efectivo κ que no es cero. Una κ suficientemente grande puede conducir a un índice de refracción negativo para una dirección de luz polarizada circularmente, incluso cuando ε y μ no son simultáneamente negativas. Los metamateriales no lineales tienen propiedades que dependen de la intensidad de la onda entrante. Tales metamateriales pueden conducir a nuevos materiales ajustables o producir condiciones inusuales, como duplicar la frecuencia de la onda entrante.

Las propiedades de material sin precedentes proporcionadas por los metamateriales permiten un control novedoso de la propagación de la luz, lo que ha llevado al rápido crecimiento de un nuevo campo conocido como óptica de transformación. En óptica de transformación, se construye un metamaterial con valores variables de permitividad y permeabilidad de modo que la luz tome un camino específico deseado. Uno de los diseños más notables en óptica de transformación es la capa de invisibilidad. La luz envuelve suavemente la capa sin introducir ninguna luz dispersa, creando así un espacio virtual vacío dentro de la capa donde un objeto se vuelve invisible. Tal capa fue demostrada por primera vez en frecuencias de microondas por el ingeniero David Schurig y sus colegas en 2006.

Debido a la refracción negativa, una losa plana de material de índice negativo puede funcionar como una lente para llevar la luz que irradia desde una fuente puntual a un enfoque perfecto. Este metamaterial se llama superlenta, porque al amplificar las ondas evanescentes en descomposición que transportan las características finas de un objeto, su resolución de imagen no sufre el límite de difracción de los microscopios ópticos convencionales. En 2004, los ingenieros eléctricos Anthony Grbic y George Eleftheriades construyeron una superlenta que funcionaba en longitudes de onda de microondas, y en 2005, Xiang Zhang y sus colegas demostraron experimentalmente una superlente en longitudes de onda ópticas con una resolución tres veces mejor que el límite de difracción tradicional.

Los conceptos de metamateriales y óptica de transformación se han aplicado no solo a la manipulación de ondas electromagnéticas, sino también a sistemas acústicos, mecánicos, térmicos e incluso cuánticos mecánicos. Dichas aplicaciones han incluido la creación de una densidad de masa negativa efectiva y un módulo efectivo negativo, una “hiperlenta” acústica con una resolución mayor que el límite de difracción de las ondas sonoras y una capa de invisibilidad para flujos térmicos.

Answer 3

Meta es una palabra griega que significa más allá. Entonces, Metamaterial significa más allá del material natural. Estos materiales no se pueden encontrar en la naturaleza. ¿Por qué? Porque estos son materiales diseñados artificialmente.

Estos materiales diseñados derivan sus propiedades que son independientes de los materiales constituyentes. ¿¿¿Sorprendido??? Las propiedades se derivan de la estructura física, no de los constituyentes que componen el metamaterial. El material constituyente podría ser metal o incluso plástico. No importa. Las celdas unitarias están hechas de material compuesto. Las celdas unitarias están dispuestas en un patrón repetitivo, a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de los fenómenos que influyen.

Los metamateriales obtienen sus propiedades inteligentes de la forma, geometría, tamaño, orientación y disposición de las celdas unitarias. Es decir, a partir de su estructura física general. Puede manipular ondas electromagnéticas. Puede bloquear, absorber, mejorar o doblar las ondas EM.

Las propiedades que hacen que el metamaterial sea inteligente son: –

• Refracción negativa
• Cambio Doppler negativo
• Propagación de onda hacia atrás, etc.

Answer 4

Metamaterial es un término genérico para describir materiales diseñados (cambiando la estructura micro o macro de un solo material o juntando varios materiales diferentes) para tener propiedades que no se encuentran en un trozo sólido sin adulterar del mismo material. Por lo general, el término se usa en referencia a las propiedades ópticas y, como tal, aparece principalmente en los campos de ingeniería de RF / óptica / fotónica / nanofotónica. Sin embargo, las mismas ideas se utilizan para manipular las propiedades electrónicas, acústicas o estructurales de los materiales mediante la ingeniería de su nano / microestructura.

nota: esto no pretende ser una respuesta exhaustiva, y espero que alguien que trabaje en este campo pueda dar una de esas vistas generales que exceden Wikipedia que Quora a veces facilita.