Материал невидимый: Канадская компания разработала материал, делающий вас невидимыми / Хабр |

Содержание

Канадская компания разработала материал, делающий вас невидимыми / Хабр

Вчерашняя научная фантастика постепенно становится реальностью. Компания Hyperstealth Biotechnology из Ванкувера разработала и запатентовала тонкий материал, обеспечивающий, по её словам, «квантовую невидимость». Он способен делать некоторые вещи за собой почти полностью неразличимыми. Источника питания при этом не требуется. Предполагается, что в будущем конструкции из такого материала будут использовать солдаты и полицейские.

Канадская компания разрабатывает специальные камуфляжные униформы, которые используются в армиях США, Индии, Иордании, ОАЭ, Канады, Словакии, Новой Зеландии. Основы для «ткани с невидимостью» были заложены еще в 2010-м, а сейчас технология была представлена широкой публике. Ранее в ней выражали заинтересованность армии Британии и США.

В пресс-релизе содержится информация об особенностях работы футуристического материала. Гай Крамер, президент Hyperstealth и изобретатель «ткани невидимости», подал четыре патентные заявки на технологии, обеспечивающие её работу. Вот вкратце информация по каждой из них:

1. «Квантовая невидимость». Главная технология, на которой строятся все остальные. Похожий на пластик материал, обеспечивающий «невидимость». Лучи света, попадая в микроскопические линзы, рассеиваются и смываются, и всё, что находится на определенной дистанции позади материала становятся неразличимыми. Новый вид пластика не только изгибает лучи в видимом спектре, но также в ультрафиолете и инфракрасном свете.

В патенте описывается 13 различных вариантов материала, с разными конфигурациями, которые могут работать в различных средах и различных условиях. Особенности конструкции материала широкой публике пока не раскрываются. Среди потенциальных применений – щиты для полицейских, за которыми их не видно.

2. «Усилитель солнечных панелей». Еще одна технология из научной фантастики. Использование того же материала в формате зеркала, помогающего направлять солнечные лучи, позволяет утроить «выхлоп» обычной монокристаллической панели. Стандарт, использующийся для расчета максимальной производительности солнечных панелей, учитывает уровень солнечного излучения, доступный на экваторе. Гай Крамер был способен достичь его в условиях обычной погоды Ванкувера, на всех типах стандартных панелей (Thin-Film, монокристаллические, поликристаллические). Подробное видео тут. Гай Крамер говорит, что материал показывает себя намного лучше, чем обычные зеркала, потому что распределяет солнечные лучи по панели, и не позволяет им бить в одну точку.

3. «Система с дисплеем». Патент описывает технологию, позволяющую использовать материал вместе с проектором, чтобы достичь уникального эффекта. Особенности материала позволяют отражать свет так, что видимая часть изображения зависит от того, где находится обозреватель. И, например, двигается вместе с его перемещением по комнате. Подробнее объясняется в видео тут. Та же технология позволяет видеть на одном и том же дисплее совершенно разные видео, в зависимости от того, с какой стороны экрана расположен зритель.

Необычный эффект при подсветке материала проекторами: видео переднего проектора отображается сзади, а заднего – спереди

Одно из потенциальных применений – голограмма военного на том же щите. Или голограмма обычной пустыни, скрывающая танк. Другой предложенный вариант использования – для охотников. Голограмма оленя или дерева в лесу, за которой на самом деле скрывается человек с винтовкой. Из бытовых применений – например, создание необычных «объемных» фотографий, учитывая, что стоимость материала совсем невелика, и он достаточно легкий.

4. «Лазерное рассеивание, отклонение, манипуляция». Последний патент описывает девайс для расщепления света лазера, который Гай Крамер демонстрирует в своих видеороликах. Один луч разделяется на 3 888 000 маленьких лучей. Это можно комбинировать с системой LIDAR (обработка информации об удаленных объектах, в том числе с помощью лазеров) – чтобы помогать машинам с автопилотом при навигации в опасных погодных условиях.

На данный момент компания сосредоточена на продаже своих технологий военным и начале массового производства своего нового материала (официального названия у него пока нет). Но предложения от частных лиц, которые могут придумать эффективные варианты коммерческого использования такого пластика, Крамер тоже принимает.

ученые впервые смоделировали метаповерхности в гибридном анапольном состоянии

Одни из глобальных трендов современного мира ― миниатюризация, компактность и минимализм. Это касается и науки. Сегодня особую популярность приобрели метаповерхности: они позволяют создавать супертонкие устройства, ничем не уступающие аналогам, а иногда и превосходящие их по свойствам. Особый вклад в это вносят «невидимые» частицы в анапольном состоянии. Недавно они уже совершили революцию в мире нанофотоники, но ученые ИТМО вместе с коллегами из Москвы и Риги пошли дальше и разработали гибриды таких состояний. Предложенная ими модель эффективнее предшественников и открывает новые возможности для использования метаповерхностей в оптике.

По аналогии с веществом, состоящими из атомов, метаповерхность представлена набором метаатомов. Параметры этих структурных единиц (их форму, размеры, свойства) можно настраивать отдельно, тем самым меняя свойства всего материала.

Современные технологии позволяют создавать нанометровые объекты заданной формы в хорошем качестве. Работая со структурными единицами материала на таком уровне, ученые могут конструировать метаповерхности толщиной всего в один слой метаатомов. При этом устройство по рабочим характеристикам не просто не уступает, но порой и превосходит используемые сейчас аналоги.

В 2015 году в журнале Nature Communications вышла статья «Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles», в которой ученые создали полностью прозрачные для электромагнитных волн в видимом диапазоне диэлектрические наночастицы в анапольном состоянии. Они представляют собой неизлучающие частицы, способные на определенной длине волны практически не рассеивать свет. То есть падающее излучение как бы проходит сквозь анаполь — при определенных условиях он становится «невидимым».

Чтобы найти анапольное состояние в наночастицах, ученые моделируют объект и затем постепенно варьируют его геометрические размеры, показатель преломления (материал из которого он состоит), длину падающей электромагнитной волны. Изменяя параметры, физики получают уникальную конфигурацию. Одной из таких стал гибридный анаполь.

В анапольном состоянии у наночастиц минимумы рассеивания для каждого мультиполя разные — а для некоторых мультиполей они могут отсутствовать вовсе. В новом исследовании команда ученых Нового физтеха, Института нанотехнологий микроэлектроники РАН и Рижского технического университета смоделировала нанорассеиватели в гибридном анапольном состоянии, в котором минимумы каждого мультиполя сосредоточены на одной длине волны. Из гибридных анаполей ученые собрали метаповерхность и выяснили, что она обладает еще одним уникальным свойством: метаатомы практически не взаимодействуют с подложкой, на которую их напыляют, а также друг с другом.

Таким образом, гибридный анаполь в определенном электромагнитном спектре практически «невидим» для падающего излучения. Достигается это за счет уникальной геометрии.

«В плане производства намного удобнее, когда метаповерхность состоит из одинаковых метаатомов, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Но сейчас перспективны исследования по созданию материалов, в которых метаатомы имеют разную форму, размеры и дезориентированы на подложке относительно друг друга. В этом смысле наши частицы играют огромную роль, потому что мы можем передвигать их как хотим — с “соседями” они взаимодействовать не будут. Особые свойства многих современных метаповерхностей связаны как раз с тем, что структурные единицы в них друг с другом связаны. Мы же предлагаем настраивать эффекты на каждом метаатоме, получая в масштабах материала их результирующую», — комментирует соавтор статьи, аспирант Нового физтеха ИТМО Алексей Кузнецов.

В своей работе исследователи показали, что если незначительно менять характеристики анапольной частицы (например радиус цилиндра), то фаза проходящей сквозь нее волны будет немного изменяться, в то время как сам материал останется в окне прозрачности. За счет этих свойств такие метаповерхности можно использовать, например, в фазовращателях.

Сегодня экономически выгоднее изготовить линзу из стекла, чем настраивать нанометровые метаатомы и изготавливать из них метаповерхности. Основная проблема в том, что используемые для этого технологии достаточно дорогие. В то же время не хватает вычислительных мощностей — ведь прежде чем создать работающий прототип, нужно учесть огромное количество факторов. Поэтому сейчас ученые занимаются в основном теоретическими наработками.

«Метаматериалы уже широко используют, например, в радиофизике. Сейчас индустрия нацелена на то, чтобы активно внедрить их в фотонику. Думаю, что наша работа продолжится в исследовании практического применения гибридных анаполей», — отмечает Алексей Кузнецов.

Сейчас исследователи ищут партнеров, которые бы могли помочь с реализацией модели на практике. Так выдвинутые на основе расчетов гипотезы можно будет подтвердить уже на реальном физическом объекте.

Работа была поддержана грантом РФФИ 20-52-00031. Подробнее об исследовании: Alexey V. Kuznetsov, Adrià Canós Valero, Mikhail Tarkhov, Vjaceslavs Bobrovs, Dmitrii Redka, and Alexander S. Shalin, Transparent hybrid anapole metasurfaces with negligible electromagnetic coupling for phase engineering (Nanophotonics, 2021).

К началу

Евгений Шилинг

Журналист

Теги

Фотоника
Исследования
Nanophotonics
Научная статья
Метаповерхности

В статье упомянуты

Бэнкси в очередной раз высмеял мир роскошных аукционов и респектабельных коллекционеров. Во время торгов в нью-йоркском отделении Sotheby, сразу после аукциона за более чем миллион долларов, картина самоуничтожилась…

Интерьеры

35 квадратных метров

Спроектировать маленькую квартиру так, чтобы она выглядела светлой и воздушной, — большая проблема. В конце концов, такое маленькое пространство легко захламить разной техникой. В этой небольшой квартире было решено пойти на довольно радикальные шаги, чтобы разместить всю мебель. Смотри…

Новый процесс может сделать искусственные материалы полностью невидимыми

Искусственная прозрачность: Точный контроль потока энергии (на что указывают светящиеся частицы в тумане) делает искусственный материал полностью прозрачным для оптического сигнала. Предоставлено: Андреа Штайнфурт, Университет Ростока

Ученые Университета Ростока в тесном сотрудничестве с партнерами из Венского технологического университета разработали новый процесс, который может при необходимости делать искусственные материалы прозрачными или даже полностью невидимыми. Их открытие было недавно опубликовано в известном журнале Научные достижения .

Превращение чего-то в невидимое — распространенный образ в научной фантастике, например, плащ-невидимка в «Гарри Поттере». Конечно, это звучит круто, но причина, по которой это так часто встречается в историях, заключается в том, что это была бы невероятно полезная технология. Использование для шпионажа и военных действий очевидно, но приложений гораздо больше.

Учитывая его огромную полезность, неудивительно, что над этим активно работают ученые и инженеры. Они также добились значительного прогресса, используя триоксид молибдена, метаматериалы, метаэкраны и диэлектрические материалы для создания плащей-невидимок. Все сводится к правильному управлению светом, и что особенно замечательно, так это то, что инновации в этой области также могут значительно улучшить сенсоры, телекоммуникации, шифрование и многие другие технологии.

Космос, последний рубеж… звездолет «Энтерпрайз» продолжает свою миссию по исследованию галактики, когда все каналы связи внезапно перекрываются непроницаемой туманностью. Во многих эпизодах культового телесериала «Звездный путь» отважная команда должна «осваивать технологии» и «изучать науку» всего за 45 минут эфирного времени, чтобы помочь им выбраться из этого или подобного затруднительного положения до того, как пойдут финальные титры. Несмотря на то, что они провели в своих лабораториях значительно больше времени, группе ученых из Университета Ростока удалось разработать совершенно новый подход к конструированию искусственных материалов, способных передавать световые сигналы без каких-либо искажений с помощью точно настроенных потоков энергии.

«При распространении света в неоднородной среде происходит рассеяние. Этот эффект быстро превращает компактный направленный луч в рассеянное свечение и знаком всем нам по летним облакам и осеннему туману», — описывает отправную точку своей команды профессор Александр Шамейт из Института физики Университета Ростока. соображения. Примечательно, что именно микроскопическое распределение плотности материала определяет специфику рассеяния. Самейт продолжает: «Фундаментальная идея индуцированной прозрачности состоит в том, чтобы воспользоваться преимуществом гораздо менее известного оптического свойства, чтобы, так сказать, расчистить путь для луча».

Это второе свойство, известное в области фотоники под загадочным названием неэрмитовости, описывает поток энергии, или, точнее, усиление и ослабление света. Интуитивно сопутствующие эффекты могут показаться нежелательными — в частности, затухание светового луча из-за поглощения может показаться крайне контрпродуктивным для задачи улучшения передачи сигнала. Тем не менее, неэрмитовы эффекты стали ключевым аспектом современной оптики, и целая область исследований стремится использовать сложное взаимодействие потерь и усиления для расширенных функций.

«Этот подход открывает совершенно новые возможности», — сообщает докторант Андреа Штайнфурт, первый автор статьи. Что касается луча света, становится возможным избирательно усиливать или ослаблять определенные части луча на микроскопическом уровне, чтобы противодействовать любому началу деградации. Чтобы остаться на снимке туманности, ее светорассеивающие свойства можно было полностью подавить. «Мы активно модифицируем материал, чтобы адаптировать его для наилучшей передачи определенного светового сигнала», — объясняет Штайнфурт. «Для этого поток энергии должен точно контролироваться, чтобы он мог сочетаться с материалом и сигналом, как кусочки головоломки».

В тесном сотрудничестве с партнерами из Венского технологического университета исследователи из Ростока успешно справились с этой задачей. В своих экспериментах они смогли воссоздать и наблюдать микроскопические взаимодействия световых сигналов с их недавно разработанными активными материалами в сетях километровых оптических волокон.

Фактически, индуцированная прозрачность — это лишь одна из захватывающих возможностей, вытекающих из этих открытий. Если объект действительно нужно заставить исчезнуть, предотвращения рассеяния недостаточно. Вместо этого световые волны должны возникать за ним совершенно невозмущенными. Однако даже в космическом вакууме одна только дифракция гарантирует, что любой сигнал неизбежно изменит свою форму. «Наше исследование дает рецепт структурирования материала таким образом, что световые лучи проходят так, как будто ни материала, ни самой области пространства, которую он занимает, не существовало. Даже вымышленные маскировочные устройства ромуланцев не могут этого сделать», — говорит соавтор доктор Маттиас Хайнрих, возвращаясь к последнему рубежу «Звездного пути».