Metamaterialien sind unglaubliche Leistungen von Technik und Wissenschaft. Durch die spezifische Kombination verschiedener Grundmaterialien können sie verwendet werden, um Dinge wie Licht und Ton auf eine Weise zu manipulieren, die in der Natur nicht zu sehen ist.
Möchten Sie beispielsweise ein Tarngerät bauen? Möglicherweise möchten Sie Verwendung von Metamaterialien in Betracht ziehen.
Hier untersuchen wir einige grundlegende Merkmale von Metamaterialien und zeigen drei aktuelle Entwicklungen in Metamaterialwissenschaft .
VERBINDUNG: WISSENSCHAFTLER ENTWICKELN NEUES METAMATERIAL, DAS DIE LEICHTE LEISTUNG EFFEKTIVER GIBT
Was sind Metamaterialien und wie funktionieren sie?
Ein Metamaterial ist ein künstlich strukturiertes Material, das außergewöhnliche elektromagnetische Eigenschaften aufweisen kann, die in der Natur nicht gesehen oder verfügbar sind. Sie wurden erstmals Anfang der 2000er Jahre entwickelt und haben sich seitdem zu einem schnell wachsenden interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsbereich entwickelt.
" Die Eigenschaften von Metamaterialien werden durch Manipulation ihrer inneren physikalischen Struktur angepasst. Dies unterscheidet sie erheblich von natürlichen Materialien, deren Eigenschaften hauptsächlich durch ihre Chemikalie bestimmt werden. Bestandteile und Anleihen. "- E Ncyclopedia Britannica .
Solche Materialien bestehen in der Regel aus zufällig oder periodisch verteilten künstlichen Strukturen, deren Größe und Raum viel kleiner sind als die Wellenlängen der einfallenden EM-Strahlung. Ein häufig vorkommendes Beispiel für Metamaterialien ist Split-Ring-Resonatoren SRRs .
Wie werden Metamaterialien hergestellt?
Metamaterialien sind eine Form von technischen Materialien, denen Eigenschaften verliehen wurden, die normalerweise in der Natur nicht zu finden sind.
" Sie bestehen aus Baugruppen aus mehreren Elementen, die aus Verbundwerkstoffen wie Metallen und Kunststoffen hergestellt sind. Die Materialien sind normalerweise in sich wiederholenden Mustern in Maßstäben angeordnet, die kleiner als die sind. Wellenlängen der Phänomene, die sie beeinflussen. "- Wikipedia .
Die Eigenschaften von Metamaterialien leiten sich nicht so sehr von ihren Materialbestandteilen ab, sondern von ihrer endgültigen entworfenen und konstruierten Struktur.
"T Erbe genau Form , Geometrie , Größe , Orientierung , und Anordnung gibt ihnen ihre intelligenten Eigenschaften, die manipuliert werden können elektromagnetische Wellen : durch Blockieren, Absorbieren, Verstärken oder Biegen von Wellen, um Vorteile zu erzielen, die über das hinausgehen, was mit herkömmlichen Materialien möglich ist. "- Wikipedia.
Die Struktur von jedem Metamaterial wird durch das natürliche Phänomen bestimmt, mit dem sie manipuliert oder beeinflusst wurden. Dies kann sichtbares Licht, Schall oder Elektrizität beeinflussen, um nur einige zu nennen.
Was ist ein negativer Brechungsindex?
Sie sind wahrscheinlich mit dem Konzept der Brechung vertraut, bei der sich das Licht biegt, wenn es durch ein Medium wie Wasser geht. Mit Nega tive Brechungsindizes Wie der Name schon sagt, wird das Licht beim Übergang von einem Medium mit positivem zu einem Medium mit negativem Index tatsächlich "reflektiert", anstatt gebrochen zu werden.
Metamaterialien mit dieser Eigenschaft werden in der Regel aus periodisch beabstandeten Teilen hergestellt, die als Einheitszellen bezeichnet werden. Diese Zellen sind normalerweise erheblich kleiner als die Wellenlänge externer elektromagnetischer Strahlung.
Diese Eigenschaft einiger Metamaterialien ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, Dinge wie a Flachlinse für optische Geräte . Diese sind billiger in der Herstellung, normalerweise leichter und können für viele Anwendungen verwendet werden, die über das Fokussieren von Licht hinausgehen.
Was ist negative Permittivität?
Negative Permittivität ist die Messung des Widerstands eines Materials gegen ein elektrisches Feld und seiner Wechselwirkung mit einem dielektrischen Medium. Die Permittivität eines Mediums beschreibt, wie stark ein elektrisches Feld genauer gesagt Fluss pro Ladungseinheit in diesem Medium "erzeugt" wird.
Es ist ein Grundprinzip, dass Elemente wie Kondensatoren basieren auf.
"In einem Medium mit geringer Permittivität pro Ladungseinheit ist aufgrund von Polarisationseffekten mehr elektrischer Fluss vorhanden. Die Permittivität steht in direktem Zusammenhang mit der elektrischen Suszeptibilität, die ein Maß dafür ist, wie leicht ein Dielektrikum als Reaktion auf ein elektrisches Feld polarisiertDie Permittivität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, einem elektrischen Feld zu widerstehen. "- researchgate.net.
Daher hat so etwas wie ein Metamaterial mit negativer Permittivität einen Widerstand gegen ein bestimmtes elektrisches Feld.
Die Umkehrung der negativen Permittivität wird nicht überraschend als absolute Permittivität bezeichnet. Dies ist das Maß für den Widerstand, der auftritt, wenn in einem bestimmten Medium ein elektrisches Feld erzeugt wird.
Einige Beispiele für akustische Metamaterialien
Akustische Metamaterialien Wie der Name schon sagt, handelt es sich um künstlich hergestellte Materialien, die speziell zur Steuerung, Steuerung und Manipulation von Schallwellen entwickelt wurden.
Hier sind einige aktuelle Entwicklungen.
1. Dieses Metamaterial kann den Ton tatsächlich aufheben.
Forscher an der Boston University ist es kürzlich gelungen, ein Metamaterial zu erstellen, das tatsächlich Geräusche „auslöschen“ kann. Ihre ringförmige Struktur war in der Lage, Geräusche auszuschalten und gleichzeitig den Luftstrom aufrechtzuerhalten.
Diese Art von Metamaterial könnte einige interessante Anwendungen als Form der leichten und unauffälligen Schalldämpfung haben. Sie kann beispielsweise für Drohnen verwendet werden, um deren Lärm zu unterdrücken, oder als Schalldämmung in Gebäuden.
2. Dieses akustische Metamaterial kann den Ton tatsächlich fokussieren.
Forscher an der Universitäten von Sussex und Bristol In Großbritannien wird an der Erstellung eines Metamaterials gearbeitet, mit dem der Ton fokussiert werden kann. Wenn dies erfolgreich ist, können damit sehr zielgerichtete Lautsprecher oder Mikrofone hergestellt werden.
Sie fokussieren Schallwellen ähnlich wie ein Objektiv Licht fokussieren kann. Und das Beste? Sie bestehen teilweise aus LEGO Steine !
Dieses Material mit der Bezeichnung "Vari-Sound" könnte auch in Theatern eingesetzt werden, in denen die Klangqualität der "billigen Sitze" mit denen vorne oder in der Mitte vergleichbar wäre.
3. Dieses Metamaterial kann Schall transportieren und konzentrieren.
Eine Gruppe von Forschern hat erfolgreich ein Metamaterial entworfen, das Schall entlang seiner Ränder transportieren und in seiner Mitte konzentrieren kann. Das Team von der Universität von New York verwendete das mathematische Feld der Topologie, um das Metamaterial zu entwerfen.
"Um ihr neues Metamaterial herzustellen, verwendeten Alù und seine Forschungspartner einen 3D-Drucker, um eine Reihe winziger Trimere zu erstellen, einen Ring, der aus drei akustischen Resonatoren besteht. Wissenschaftler befestigten die Trimere, um ein dreieckiges Gitter zu bilden." - upi.com .