dziedzina nauki o materiałach znana jako metamateriały uchwyciła ostatnio wyobraźnię inżynierów pragnących stworzyć nanoskalowe urządzenia optyczne. Jonathan Fan, asystent profesora inżynierii elektrycznej i dyrektor ExFab w Zakładzie Nanofabrication w Stanford, jest liderem. Niedawno zdobył prestiżowe stypendium Packard Fellowship in Science and Engineering 2016, które finansuje najbardziej obiecujących profesorów na początku kariery w dziedzinach od fizyki i chemii po inżynierię. Fan jest czwartym inżynierem Stanford electrical, który zdobył stypendium od 1988 roku, a wsparcie finansowe, które z nim związane, umożliwi mu kontynuowanie pracy tak innowacyjnej, że w przeciwnym razie może okazać się trudne do sfinansowania za pomocą tradycyjnych środków. Rozmawialiśmy z fanem o jego wizjach w dziedzinie inżynierii materiałowej i o jego interdyscyplinarnej współpracy z profesorami ze Stanford Allison Okamura i Seanem Follmerem w projektach takich jak integracja nowych typów systemów elektromagnetycznych z robotami.

czym są metamateriały?

na najbardziej podstawowym poziomie sprowadzamy ideę anteny do nanoskali. W czasach przed kablami i satelitami Telewizory miały metalowe anteny. Jeśli Twoje zdjęcie nie było zbyt dobre, wstałbyś i fizycznie przekonfigurował geometrię anteny, aby zmienić jej wydajność. Anteny te były przeznaczone do fal radiowych o długości centymetrów do metrów. Pracujemy nad stworzeniem nanoskalowych anten, które będą w stanie reagować na światło widzialne o długościach fal od 400 do 700 nanometrów lub podczerwieni, gdzie długości fal są rzędu mikrona. Konfigurując geometrię tych anten indywidualnie i w kolekcjach, możemy zaprojektować systemy, które mogą wchodzić w interakcje ze światłem i manipulować nim w zupełnie nowy sposób.

te małe anteny są o wiele rzędów wielkości mniejsze niż Antena telewizyjna. Na szczęście rozwój nowoczesnej platformy elektronicznych układów scalonych w ciągu ostatniego półwiecza zaowocował dojrzałymi procesami technologicznymi, które mogą pomóc nam zdefiniować cechy nanoskali. Używamy tych samych technologii do tworzenia nanoskali anten. To bardzo podstawowy przegląd.

jaka jest pochodna terminu „meta” w nazwie metamaterials?

Kiedy myślisz o konwencjonalnym obiektywie, myślisz o szkle – materiale, prawda? Szkło w aparacie lub okularach wygina światło w bardzo przewidywalny sposób w oparciu o wewnętrzną reakcję materiału szkła. Soczewka wykonana z metamateriału będzie reagować na światło w sposób, który nie jest już oparty wyłącznie na właściwościach samego materiału, ale w dużej mierze na konstrukcji i układzie tych anten optycznych. Tak więc pojęcie „meta” pochodzi od naszej zdolności do projektowania sztucznych materiałów, składających się z kompozytu struktur w nanoskali, które mogą reagować na światło w zupełnie nowy sposób. Fajnie jest zobaczyć przykład w przypadku metalu takiego jak złoto. Zwykle myślimy o złocie jako materiale luzem, który jest odblaskowy, żółtawy i błyszczący. Nawet jeśli zejdziesz do nanoskali, złoto nadal jest złotem. Ale określając geometrię nanoskali złota, możemy zmienić kolor złota z żółtego na zielony lub czerwony, i może wspierać wiele innych rodzajów właściwości optycznych, których nie kojarzymy z masowym złotem. Są to właściwości, które inżynierowie mogą wykorzystać do tworzenia nowych urządzeń.

Na co pozwalają metamateriały, czego wcześniej nie mogliśmy zrobić?

metamateriały są obiecujące z kilku powodów. Po pierwsze, umożliwiają ekstremalną miniaturyzację istniejących urządzeń optycznych. Na przykład, możemy wziąć soczewkę okularową i zrobić ją 100 razy cieńszą niż kosmyk włosów. Pozwala nam to na przełożenie tradycyjnie dużych układów optycznych na bardzo małe rozmiary. Po drugie, można je dostosować do obsługi nowych właściwości, które obecnie nie są dostępne w istniejącym sprzęcie optycznym, co prowadzi do zupełnie nowych systemów optycznych.

Jaki jest przykład potencjalnego urządzenia metamaterialnego?

duża szansa dzisiaj wynika z faktu, że kamery o wysokiej rozdzielczości zostały zminiaturyzowane do rozmiarów, które mogą zmieścić się na telefonach komórkowych, dzięki czemu są dostępne dla publiczności milion razy większe niż wcześniej. Częścią mojego większego pytania badawczego jest: czy jest coś więcej, co możemy zrobić z systemami obrazowania z czynnikami kształtu aparatu komórkowego? W przychodzącym polu światła jest tak wiele informacji, które nie są obecnie przechwytywane przez kamerę komórkową, ale które można przechwycić za pomocą systemów obrazowania, które zawierają metamateriały. Dostęp do tych dodatkowych informacji może zmienić sposób, w jaki wykorzystujemy wykonane przez nas zdjęcia. Na przykład, jeśli masz stan skóry, znacznie więcej informacji optycznych skóry można uzyskać z prostego obrazu z telefonu komórkowego i wykorzystać do lepszej oceny stanu.

Co cię podnieca w metamateriałach?

metamateriały prowadzą nas do zupełnie innego zestawu pytań – metaquestions, jeśli wolisz. Na przykład, czy te nanoanteny są w ogóle najlepszym sposobem na robienie tego, co chcemy robić? W tym momencie, nawet to nie jest jasne. Ponadto, można dostać się do dużych pytań aplikacji dla tych materiałów i urządzeń. To jest po prostu otwarte. Dlatego jest to dla mnie ekscytujące.

jakieś wczesne wrażenia, którymi warto się podzielić jako nowy członek wydziału?

Stanford to naprawdę wyjątkowe miejsce. Ludzie są na najwyższym poziomie, a środowisko jest wysoce współpracujące, a nie zamknięte. Jako przykład, niedawno rozszerzyłem swoją działalność na robotykę, gdzie chciałem zastosować koncepcje w falach o częstotliwości radiowej, aby stworzyć inteligentniejsze miękkie systemy robotyczne. W tym celu nawiązałem współpracę z Allison Okamurą i Seanem Follmerem, którzy są inżynierami mechanicznymi. Do tej pory było fantastycznie, a ja wiele się nauczyłem. Ludzie tutaj są bardzo otwarci i inspirowani do prowadzenia ekscytujących interdyscyplinarnych badań w celu identyfikacji i rozwiązywania dużych problemów. Cieszę się, że mogę być tego częścią.