az anyagtudomány metamaterials néven ismert területe a közelmúltban megragadta a mérnökök képzeletét abban a reményben, hogy nanoméretű optikai eszközöket hoznak létre. Jonathan Fan, az elektrotechnika adjunktusa és a Stanford Nanofabrication Facility ExFab igazgatója vezeti az utat. Nemrégiben megnyerte a rangos 2016-os Packard ösztöndíjat a tudomány és a mérnöki tudomány területén, amely a legígéretesebb korai karrier professzorokat finanszírozza a fizikától és a kémiától a mérnöki tevékenységig. Fan csak a negyedik Stanfordi villamosmérnök, aki 1988 óta elnyerte az ösztöndíjat, és az ezzel járó pénzügyi támogatás lehetővé teszi számára, hogy olyan innovatív munkát folytasson, amelyet egyébként nehéznek bizonyulhat hagyományos eszközökkel finanszírozni. Beszéltünk Fan-nal a metamateriális mérnöki elképzeléseiről, valamint a Stanford professzorokkal, Allison Okamurával és Sean Follmerrel folytatott interdiszciplináris együttműködéséről olyan projektekben, mint az új típusú elektromágneses rendszerek robotokkal való integrálása.

mik azok a metamateriumok?

a legalapvetőbb szinten az antenna ötletét a nanoméretig visszük. A kábeles és műholdas televíziók előtti napon a TV-k fém antennákkal rendelkeztek. Ha a kép nem lenne túl jó, akkor felállna, és fizikailag újrakonfigurálná az antenna geometriáját, hogy megváltoztassa annak teljesítményét. Ezeket az antennákat rádióhullámokhoz tervezték, amelyek centiméter-méter hosszúak voltak. Azon dolgozunk, hogy olyan nanoméretű antennákat hozzunk létre, amelyek képesek lennének reagálni a látható fényre 400-700 nanométer hullámhosszúsággal, vagy infravörös fénnyel, ahol a hullámhosszak mikron nagyságúak. Ezeknek az antennáknak a geometriáját egyedileg és gyűjteményekben konfigurálva olyan rendszereket tervezhetünk, amelyek teljesen új módon képesek kölcsönhatásba lépni a fénnyel és manipulálni a fényt.

Ezek az apró antennák sok nagyságrenddel kisebbek, mint egy TV-antenna. Szerencsére a modern elektronikus integrált áramköri platform fejlesztése az elmúlt fél évszázadban Érett technológiai folyamatokat eredményezett, amelyek segíthetnek a nanoméretű jellemzők meghatározásában. Ugyanazokat a mintázási technológiákat használjuk, hogy ezeket a nanoméretű antennákat készítsük. Ez a legalapvetőbb áttekintés.

mi a “meta” kifejezés származéka a metamaterials névben?

amikor egy hagyományos lencsére gondolsz, az üvegre gondolsz – az anyagra, igaz? A fényképezőgépben vagy a szemüvegben lévő üveg nagyon kiszámítható módon hajlítja a fényt az üveg belső anyagválasza alapján. A metamateriális lencse olyan módon reagál a fényre, amely már nem kizárólag az anyag tulajdonságain alapul, hanem nagyrészt ezen optikai antennák kialakításán és elrendezésén. Tehát a “meta” fogalma abból a képességünkből származik, hogy mesterséges anyagokat tervezünk, amelyek nanoméretű struktúrák kompozitjából állnak, amelyek teljesen új módon reagálhatnak a fényre. Olyan szép, hogy példát látunk egy olyan fém esetében, mint az arany. Általában úgy gondolunk az aranyra, mint egy ömlesztett anyagra, amely fényvisszaverő, sárgás és fényes. Még akkor is, ha lemegy a nanoméretre, az arany még mindig arany. De a nanoméretű arany geometriájának meghatározásával megváltoztathatjuk az arany színét sárgáról zöldre vagy pirosra, és számos más optikai tulajdonságot támogathat, amelyeket nem társítunk az ömlesztett aranyhoz. Ezek olyan tulajdonságok, amelyeket a mérnökök új eszközök készítésére használhatnak.

mit tesznek lehetővé a metamateriumok, amit korábban nem tudtunk megtenni?

a Metamateriumok néhány okból ígéretesek. Először is lehetővé teszik a meglévő optikai eszközök szélsőséges miniatürizálását. Például vehetünk egy szemüveglencsét, és 100-szor vékonyabbá tehetjük, mint egy hajszál. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a hagyományosan terjedelmes optikai rendszereket rendkívül kis formai tényezőkre fordítsuk. Másodszor, testreszabhatók olyan új tulajdonságok támogatására, amelyek jelenleg nem érhetők el a meglévő optikai hardverekkel, ami teljesen új optikai rendszerekhez vezet.

mi a példa egy lehetséges metamateriális eszközre?

ma nagy lehetőség adódik abból a tényből, hogy a nagy felbontású kamerák miniatürizáltak olyan méretekre, amelyek elférnek a mobiltelefonokon, így a közönség számára milliószor nagyobb, mint korábban. Része a nagyobb kutatási kérdés: van valami többet tehetünk képalkotó rendszerek formai tényezők egy mobiltelefon kamera? Olyan sok információ van a bejövő fénymezőben, amelyet jelenleg nem rögzít egy mobiltelefon-kamera, de ezt olyan képalkotó rendszerekkel lehet rögzíteni, amelyek metaanyagokat tartalmaznak. A további információkhoz való hozzáférés megváltoztathatja a készített képek felhasználásának módját. Például, ha bőrbetegsége van, sokkal több optikai információ nyerhető ki a bőrről egy egyszerű mobiltelefon-képből, és felhasználható az állapotának jobb felmérésére.

mi izgat téged a metamaterialokkal kapcsolatban?

a metaanyagok egy teljesen más kérdéskörhöz vezetnek minket – metaquestions, ha úgy tetszik. Például ezek a nanoantennák a legjobb módja annak, hogy azt tegyük, amit akarunk? Ebben a pillanatban még ez sem világos. Ezen felül eljut az ezen anyagok és eszközök alkalmazásának nagy kérdéseihez. Csak tárva-nyitva. Ezért izgalmas ez nekem.

bármilyen korai benyomások megosztani, mint egy új kar tagja?

Stanford egy igazán különleges hely. Az emberek csúcsminőségűek, a környezet pedig nagyon együttműködő, nem elhallgatott. Példaként a közelmúltban kibővítettem a robotikát, ahol a rádiófrekvenciás hullámokban alkalmazott fogalmakat kerestem, hogy intelligensebb lágy robotrendszereket hozzak létre. Ennek érdekében elkezdtem együttműködni Allison Okamurával és Sean Follmerrel, akik gépészmérnökök. Eddig fantasztikus volt, és rengeteget tanultam. Az emberek itt nagyon nyitottak, és inspiráltak arra, hogy izgalmas interdiszciplináris kutatásokat végezzenek a nagy problémák azonosítása és megoldása érdekében. Örülök, hogy a részese lehetek.