metamateriaaleina tunnettu materiaalitieteen ala on viime aikoina vanginnut insinöörien mielikuvituksen, joka toivoo voivansa luoda nanomittaisia optisia laitteita. Jonathan Fan, sähkötekniikan apulaisprofessori ja Stanfordin Nanofabrikaatiolaitoksen ExFab-laitoksen johtaja, näyttää tietä. Hän voitti äskettäin arvostetun 2016 Packard Fellowship in Science and Engineering, joka rahoittaa lupaavimmat varhaisen uran professorit aloilla vaihtelevat fysiikan ja kemian engineering. Fan on vain neljäs Stanford sähköinsinööri voittaa fellowship vuodesta 1988, ja taloudellista tukea, joka tulee sen avulla hän voi jatkaa työtä, joka on niin innovatiivinen, että se voi muuten osoittautua vaikea rahoittaa perinteisin keinoin. Puhuimme fanin kanssa hänen visioistaan metamateriaalitekniikassa ja hänen poikkitieteellisestä yhteistyöstään Stanfordin professorien Allison Okamuran ja Sean Follmerin kanssa projekteissa, kuten uudenlaisten sähkömagneettisten järjestelmien integroimisessa robotteihin.

Mitä metamateriaalit ovat?

perustasollaan tuomme antennin idean nanomittaan. Ennen kaapeli-ja satelliittikuvaa televisioissa oli metalliantennit. Jos Kuva ei ollut kovin hyvä, voit saada ylös ja fyysisesti määrittää antennin geometria muuttaa sen suorituskykyä. Antennit oli suunniteltu radioaalloille, joiden pituus oli senttimetristä metriin. Pyrimme luomaan nanomittaisia antenneja, jotka pystyisivät vastaamaan näkyvään valoon 400-700 nanometrin aallonpituuksilla eli infrapunavalolla, jossa aallonpituudet ovat mikronin luokkaa. Konfiguroimalla antennien geometriaa yksittäin ja kokoelmissa voimme luoda järjestelmiä, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa valon kanssa ja manipuloida sitä aivan uusilla tavoilla.

nämä pikkuruiset antennit ovat monta kertaluokkaa pienempiä kuin TV-antenni. Onneksi nykyaikaisen elektronisen integroitujen piirien alustan kehittäminen viimeisen puolen vuosisadan aikana on tuottanut kypsiä teknologisia prosesseja, jotka voivat auttaa meitä määrittelemään nanomittaisia ominaisuuksia. Käytämme samoja kuviointitekniikoita tehdäksemme nanomittaisia antenneja. Se on hyvin perus yleiskuva.

mikä on termin ”meta” johdos metamaterials-nimessä?

kun ajattelee perinteistä linssiä, tulee mieleen lasi – materiaali, eikö? Kameran tai silmälasien lasi taivuttaa valoa hyvin ennakoitavalla tavalla lasin sisäisen materiaalivasteen perusteella. Metamateriaalista valmistettu linssi reagoi valoon tavoilla, jotka eivät enää perustu pelkästään materiaalin ominaisuuksiin, vaan pitkälti näiden optisten antennien suunnitteluun ja asetteluun. Käsite ”meta” tulee kyvystämme suunnitella keinotekoisia materiaaleja, jotka koostuvat nanomittaisten rakenteiden yhdistelmästä, joka voi vastata valoon aivan uusilla tavoilla. On aika siistiä nähdä esimerkki kullan kaltaisesta metallista. Yleensä ajattelemme kultaa irtomateriaalina, joka on heijastavaa, kellertävää ja kiiltävää. Nanomittakaavassakin kulta on kultaa. Mutta määrittämällä nanomittakullan geometrian voimme muuttaa kullan väriä keltaisesta vihreäksi tai punaiseksi, ja se voi tukea monia muita optisia ominaisuuksia, joita emme yhdistä irtokullan kanssa. Ne ovat ominaisuuksia, joilla insinöörit voivat tehdä uusia laitteita.

Mitä sellaista metamateriaalit sallivat meidän tehdä, mitä emme ennen voineet?

Metamateriaalit ovat lupaavia paristakin syystä. Ensinnäkin ne mahdollistavat nykyisten optisten laitteiden äärimmäisen pienennyksen. Voimme esimerkiksi ottaa silmälasilinssin ja voimme tehdä siitä 100 kertaa ohuemman kuin hiussuortuva. Tämä mahdollistaa perinteisesti kookkaiden optisten järjestelmien kääntämisen äärimmäisen pieniin muototekijöihin. Toiseksi ne voidaan räätälöidä tukemaan uusia ominaisuuksia, jotka eivät tällä hetkellä ole käytettävissä olemassa olevalla optisella laitteistolla, mikä johtaa täysin uusiin optisiin järjestelmiin.

mikä on esimerkki mahdollisesta metamateriaalilaitteesta?

tänä päivänä suuri mahdollisuus syntyy siitä, että korkearesoluutioiset kamerat ovat pienentyneet kokoon, joka mahtuu kännyköihin, jolloin ne ovat miljoona kertaa aiempaa suurempien yleisöjen saatavilla. Osa laajempaa tutkimuskysymystäni on: onko jotain, mitä voimme tehdä kuvantamisjärjestelmillä, joissa on kännykkäkameran muototekijät? Saapuvassa valokentässä on niin paljon tietoa, jota ei tällä hetkellä vangita kännykkäkameralla, mutta joka voitaisiin tallentaa kuvantamisjärjestelmillä, jotka sisältävät metamateriaaleja. Pääsy näihin lisätietoihin voi muuttaa sitä, miten käytämme ottamiamme kuvia. Esimerkiksi, jos sinulla on ihosairaus, paljon enemmän optista tietoa ihon voitaisiin poimia yksinkertainen matkapuhelin kuva ja käyttää paremmin arvioida kuntoa.

mikä metamateriaaleissa innostaa?

Metamateriaalit johdattavat meidät aivan toisenlaiseen kysymyssarjaan – metaquestionsiin, jos niin sanot. Ovatko esimerkiksi nämä nanoantennit edes paras tapa tehdä sitä, mitä haluamme tehdä? Tällä hetkellä sekään ei ole selvää. Lisäksi pääset näiden materiaalien ja laitteiden sovellusten suuriin kysymyksiin. Se on täysin auki. Siksi tämä on jännittävää.

Onko varhaisia vaikutelmia jaettavaksi uutena tiedekunnan jäsenenä?

Stanford on todella erityinen paikka. Ihmiset ovat huippuluokkaa ja ympäristö on erittäin yhteistyöhaluinen, ei siiloutunut. Esimerkiksi Olen viime aikoina laajentanut robotiikkaan, jossa olen pyrkinyt soveltamaan konsepteja radiotaajuusaalloissa ja luomaan älykkäämpiä pehmeitä robottijärjestelmiä. Tässä työssä olen aloittanut yhteistyön Allison Okamuran ja Sean Follmerin kanssa, jotka ovat mekaanisia insinöörejä. Tähän asti on ollut fantastista, ja olen oppinut paljon. Ihmiset täällä ovat hyvin ennakkoluulottomia ja innostuvat tekemään jännittävää poikkitieteellistä tutkimusta tunnistaa ja ratkaista suuria ongelmia. Olen innoissani saadessani olla osa sitä.