oblast vědy o materiálech známá jako metamateriály nedávno zachytila představivost inženýrů, kteří doufají, že vytvoří optická zařízení v nanoměřítku. Jonathan Fan, odborný asistent elektrotechniky a ředitel ExFab ve Stanfordském Nanofabrication Facility, vede cestu. Nedávno získal prestižní 2016 Packard Fellowship in Science and Engineering, který financuje nejslibnější rané profesory v oborech od fyziky a chemie po strojírenství. Ventilátor je jen čtvrté Stanford elektrotechnik vyhrát stipendium od roku 1988, a finanční podporu, která přichází s ním, a to mu umožní vykonávat práci, která je tak inovativní, že to jinak může být obtížné financovat prostřednictvím tradičních prostředků. Mluvili jsme s Ventilátorem o jeho vizích v meta-materiálovém inženýrství a o jeho interdisciplinární spolupráce s kolegy Stanford profesoři Allison Okamura a Sean Follmer v projektech, jako je začlenění nové typy elektromagnetické systémy s roboty.

Co jsou metamateriály?

na své nejzákladnější úrovni přinášíme myšlenku antény do nanoměřítka. V den před kabelovými a satelitními televizory měly kovové antény. Pokud by váš obrázek nebyl příliš dobrý, vstali byste a fyzicky překonfigurovali geometrii antény, abyste změnili její výkon. Tyto antény byly navrženy pro rádiové vlny o délce centimetrů až metrů. Pracujeme na vytvoření nano antény, která by byla schopna reagovat na viditelné světlo o vlnové délce 400 až 700 nanometrů, nebo infračervené světlo, kde jsou vlnové délky v řádu mikronů. Konfigurací geometrie těchto antén jednotlivě a ve sbírkách můžeme navrhnout systémy, které mohou interagovat se světlem a manipulovat s ním zcela novými způsoby.

tyto malé antény jsou o mnoho řádů menší než televizní anténa. Naštěstí, vývoj moderních elektronických integrovaných obvodů platformu za poslední půl století vyrábí vyspělé technologické procesy, které nám mohou pomoci definovat nano funkce. K výrobě těchto nanoměřítkových antén používáme stejné technologie vzorování. To je úplně základní přehled.

jaký je odvození termínu „meta“ v názvu metamateriály?

když přemýšlíte o konvenčním objektivu, myslíte na sklo-materiál, že? Sklo ve fotoaparátu nebo brýlích ohýbá světlo velmi předvídatelnými způsoby na základě vnitřní materiálové odezvy skla. Čočka vyrobena z metamateriálových bude reagovat na světlo způsoby, které jsou již založeny výhradně na vlastnostech samotného materiálu, ale především na design a uspořádání těchto optické antény. Takže pojem „meta“ pochází z naší schopnosti inženýra umělé materiály, skládající se z kompozitu nano-struktur, které mohou reagovat na světlo ve zcela novým způsobem. Je docela hezké vidět příklad v případě kovu, jako je zlato. Zlato obvykle považujeme za sypký materiál, který je reflexní, nažloutlý a lesklý. I když jdete dolů na nanoměřítko, zlato je stále zlato. Ale zadáním geometrie zlata v nanoměřítku můžeme změnit barvu zlata ze žluté na zelenou nebo červenou a může podporovat mnoho dalších typů optických vlastností, které nespojujeme s hromadným zlatem. To jsou vlastnosti, které mohou inženýři použít k výrobě nových zařízení.

co nám metamateriály umožňují dělat to, co jsme předtím nemohli?

metamateriály jsou slibné z několika důvodů. Nejprve umožňují extrémní miniaturizaci stávajících optických zařízení. Například můžeme vzít čočku na brýle a můžeme ji udělat 100krát tenčí než pramen vlasů. To nám umožňuje překládat tradičně objemné optické systémy na extrémně malé tvarové faktory. Za druhé, mohou být přizpůsobeny tak, aby podporovaly nové vlastnosti, které v současné době nejsou přístupné stávajícím optickým hardwarem, což vede ke zcela novým optickým systémům.

jaký je příklad potenciálního metamateriálního zařízení?

velkou příležitost dnes vyplývá ze skutečnosti, že kamery s vysokým rozlišením mají miniaturní velikostí, která se vejde na mobilní telefony, což je přístupný pro diváky milionkrát větší, než předtím. Část mé větší výzkumné otázky je: existuje něco víc, co můžeme dělat se zobrazovacími systémy s tvarovými faktory kamery mobilního telefonu? V příchozím světelném poli je tolik informací, které nejsou v současné době zachyceny kamerou mobilního telefonu, ale které by mohly být zachyceny zobrazovacími systémy, které zahrnují metamateriály. Přístup k těmto dalším informacím by mohl změnit způsob, jakým používáme pořízené obrázky. Například, pokud máte kožní onemocnění, mnohem víc optické informace z kůže mohou být extrahovány z jednoduchého mobil obraz a používá, aby lépe posoudit váš stav.

Co vás na metamateriálech vzrušuje?

metamateriály nás vedou k úplně jiné sadě otázek-metaquestions, Chcete-li. Například, jsou tyto nanoantenny vůbec nejlepším způsobem, jak dělat to, co chceme dělat? V tuto chvíli ani to není jasné. Kromě toho se dostanete k velkým otázkám aplikací pro tyto materiály a zařízení. Je to jen dokořán. Proto je to pro mě vzrušující.

máte nějaké první dojmy, které můžete sdílet jako nový člen fakulty?

Stanford je opravdu zvláštní místo. Lidé jsou špičkoví a prostředí je vysoce kolaborativní, ne siloed. Jako příklad jsem nedávno expandoval do robotiky, kde jsem se snažil aplikovat koncepty v rádiových frekvenčních vlnách a vytvořit chytřejší měkké robotické systémy. V tomto úsilí jsem zahájil spolupráci s Allison Okamurou a Seanem Follmerem, kteří jsou strojní inženýři. Zatím to bylo fantastické a hodně jsem se toho naučil. Lidé jsou zde velmi otevření a jsou inspirovány vzrušující interdisciplinární výzkum identifikovat a řešit velké problémy. Jsem nadšený, že jsem toho součástí.