VIDEO In incercarea de a crea pelerina "Harry Potter", oamenii de stiinta descopera utilizari mai tangibile pentru metamateriale

Un nou tip de materiale cu proprietati optice special, numite metamateriale, ar putea, in viitorul nu foarte indepartat, sa ajute la protejarea cladirilor de cutremure prin devierea undelor seismice in jurul imobilelor, relateaza Reuters. Similar, valurile de tip tsunami ar putea fi deviate in jurul oraselor iar undele sonore ar putea fi si ele curbate astfel incat sa izolezi fonic o incapere.

Desi Sfantul Graal al metamaterialelor ramane posibilitatea de a face obiecte si persoane invizibile pentru ochiul uman, acestea ar putea avea si un impact comercial mai tangibil fiind folosite in scopuri mai banale – de la antene de satelit la incarcarea wireless a telefoanelor mobile.

Metamaterialele sunt pur si simplu materiale care prezinta proprietati ce nu se gasesc in natura, acestea avand puterea de a devia radiatia electromagnetica in jurul obiectelor. Cheia consta in modul in care acestea sunt facute. Prin asamblarea materialului – de la cristale fotonice la sarma si spuma – la o scara mai mica decat lungimea de unda care urmeaza sa fie manipulata, unda poate, teoretic, sa fie deviata.

Aceste proprietati fac din metamateriale instrumentul preferat al oamenilor de stiinta inscrisi in cursa construirii de dispozitive care sa permita camuflajul, inclusiv asa-numita „mantie a invizibilitatii” – un paravan care ar asigura invizibilitatea lucrurilor pe care le acopera.

„Mantia invizibilitatii fost doar unul dintre lucrurile pe care le-am descoperit – ca dispunem de toata aceasta flexibilitate in acest material iar acesta este un alt lucru pe care il putem face”, a declarat intr-un interviu telefonic pentru Reuters David Smith, de la Universitatea Duke, considerat unul dintre parintii fondatori ai metamaterialelor. „Suntem in egala masura interesati sa vedem aceasta tranzitie si sa facem o diferenta in viata oamenilor”, a adaugat David Smith.

Intr-adevar, drumul lui Smith de la laborator la fabrica arata ca, in timp ce pentru unii metamaterialele au devenit sinonim cu pelerinele „Harry Potter”, beneficiile lor ar putea fi resimtite intr-o serie de industrii si utilizari, de la dispozitive de comunicare de dimensiuni mai mici pana la cladiri protejate de cutremure.

David Smith, Metamaterials Talk 2013

Devierea luminii

Punctul central al metamaterialelor si al cautarii invizibilitatii il reprezinta undele. Daca undele electromagnetice – fie ca e vorba de lumina vizibila, microunde sau unde infrarosii – pot fi deviate in jurul unui obiect, atunci el nu ar fi vizibil in acele lungimile de unda. Multa vreme s-a crezut ca lumina nu se poate controla in acest fel cu materiale naturale pentru ca proprietatile lor optice depind de chimia atomilor din care sunt formate.

La sfarsitul anilor ’90, Smith si coegii sai au experimentat cu modificarea geometriei materialelor descoperind ca ar putea schimba modul in care acestea interactioneaza cu lumina, sau cu alte tipuri de unde – creand astfel metamaterialele. Cu ajutorul acestora, a explicat pentru Reuters Andrea Alu, profesor asociat la Universitatea din Texas, Austin (SUA), oamenii de stiinta au constatat ca „ar putea fi posibil sa contestam regulile si limitarile considerate de secole drept scrise in piatra”.

In ultimul deceniu a avut loc o explozie in cercetarea bazata pe descoperirile lui Smith, in incercarea de a face obiectele invizibile macar in unele forme de lumina.

„Au fost facute pana acum mai multe demonstratii de camuflare la lungimi de unda vizibile, astfel ca este cu adevarat posibil sa camuflezi un obiect iar acest lucru a fost realizat”, a declarat Jason Valentine de la Universitatea Vanderbilt, cel care a realizat una dintre primele astfel de „mantii ale invizibilitatii”. Acestea au insa limitari, cum ar fi ca functioneaza numai in anumite lungimi de unda si doar din anumite unghiuri. Insa aceste bariere sunt rapid indepartate, sustine Jason Valentine.

In 2012, spre exemplu, Yaroslav Urzhumov de la Duke University a realizat o mantie dintr-un plastic care deviaza microunde, folosind o imprimanta 3D obisnuita, in timp ce Alu a construit o mantie ultra- subtire alimentata de curent electric.

Newton Lecture 2013: Professor Sir John Pendry de la Imperial College London

O armata invizibila?

Cea mai mare parte a finantarii pentru cercetarea in acest domeniu in SUA vine de la armata americana.

Urzhumov a declarat intr-un interviu online acordat agentiei de presa citate ca Departamentul Apararii este „unul dintre cei mai importanti sponsori din SUA ai cercetarii metamaterialelor si invizibilitatii” Defense Advanced Research Projects Agency, care comanda cercetari avansate in numele Departamentului Apararii, a finantat inca din 2000 cercetarea metamaterialelor, arata site-ul institutiei.

Interesul militar fata de metamateriale fost in primul rand orientat catre crearea unei mantii pentru camuflare, a declarat Miguel Navarro – Cia de la Imperial College London, care a cercetat acest subiect cu finantare de la Agentia Europeana de Aparare si de la Armata SUA.

Insa o mantie a invizibilitatii nu trebuie sa fie un instrument sinistru de razboi, scrie Reuters.

Valentine Vanderbilt sugereaza o utilizare arhitecturala. „Ai putea folosi aceasta tehnologie pentru a ascunde vederii coloanele de rezistenta, pentru ca un spatiu sa para complet deschis”, arata omul de stiinta.

Alte potentiale utilizari includ camuflarea unor parti ale aeronavelor pentru ca pilotii sa vada sub cabina de pilotaj, sau pentru a-i scapa pe soferi de unghiul mort al masinii.

„Cele mai multe mantii de camuflare sunt, in esenta, inca in stadiul de cercetare”, a declarat Ong Chong Kim, director al Centrului pentru Materiale Supraconductoare si Magnetice la Universitatea Nationala din Singapore.

Accentul pe unde

Ong dar si altii spun ca in timp ce metamaterialele nu pot camufla inca total obiectele, ele ar putea fi folosite pentru a redirectiona alte tipuri de unde, inclusiv unde mecanice, cum ar fi cele sonore si sau valurile oceanice. Spre exemplu, la inceputul anului trecut, cercetatorii francezi au deviat unde seismice in jurul unor gauri special plasate in pamant, reflectand undele.

Ong a adus in discutie posibilitatea ca toate lucrurile invatate din reconfigurarea geometriei materialelor sa fie aplicate pentru a devia tsunamiuri in jurul unor cladiri strategice.

Elena Semouchkina de la Michigan Technological University, pionier al dispozitivelor de camuflaj, arata ca antenele ar putea fi camuflate astfel incat acestea sa nu interfereze una cu alta, ca oamenii ar putea fi protejati astfel de radiatii nocive sau de presiune acustica, si ca ar putea fi prevenita distrugerea unor cladiri din cauza seismelor.

Metamateriale ar putea, de asemenea, absorbi si emite lumina cu un randament extrem de mare – de exemplu intr- o ecografie de inalta rezolutie – sau de a reorienta lumina pe o distanta foarte mica. Acest lucru, spune Anthony Vicari de la Lux Research, „ar putea fi utilizate pentru a imbunatati retelele de comunicatii din fibre optice sau chiar pentru comunicatiile optice in microcipuri pentru a imbunatati viteza de calcul”.

Ce sunt metamaterialele

Utilizari comerciale

Intr-adevar, exista in mod clar un apetit tot mai mare pentru comercializarea proprietatilor unice ale metamaterialelor.

Una dintre primele companii care au facut trecerea spre comercial a fost Rayspan Corp, o companie cu sediul in California, care acum nu mai exista, ale carei antene au fost incluse in routere WiFi ale producatorului de retele Netgear Inc si in smartphone-ul extraplat produs de LG Electronics Inc.

Antenele erau mai mici, mai plate si mai performante decat altele, insa integrarea lor in restul telefonului s-a dovedit dificila, au declarat fosti directori ai Rayspan. Un purtator de cuvant pentru LG a declarat ca proiectul nu mai este activ si ca LG nu are in vederea utilizarea metamaterialelor in alte produse.

„Un lucru invatat din experienta mea ca antreprenor este ca industria tehnologica este foarte incantata de ceea ce se intampla in laboratoare”, a declarat Maha Achour, co-fondator al defunctei companii Rayspan. „Dar realitatea atunci cand comercializezi lucrurile este complet diferita”, a adaugat Achour. Brevetele companiei au fost vandute intre timp unul cumparator al carui nume a ramas necunoscut.

Lectiile au fost invatate. Acum, accentul s-a mutat pe folosirea metamaterialelor in produse si pe piete unde se poate obtine mai usor un avantaj comercial.

Smith, care a construit primele metamateriale in 1999, a condus aceasta ofensiva economica, lucrand cu Intellectual Ventures, o firma care detine un portofoliu de brevete, pentru a lansa doua companii : Kymeta Corp, care produce antene plate, de tip panou, pentru comunicatiile prin satelit, si Evolv Technologies, care spera sa produca un scanner pentru aeroporturi mai rapid, mai usor si portabil. Kymeta, in parteneriat cu operatorii de satelit Inmarsat si O3b Networks, spera sa inceapa sa expedieze la inceputul lui 2015.

Cele doua domenii au fost alese dintr-o lista scurta de 20 de piete potentiale, a explicat Smith, adaugand ca „sunt aceleasi metamateriale din spatele mantiei, dar am cautat aplicatii pe termen mai scurt”.

Incarcare wireless

Urmatoarea utilizare probabila de catre consumatori ar putea fi in incarcarea wireless a dispozitivelor, o zona care atrage atentia industriei, arata Reuters.

Mark Gostock de la ISIS Inovare Ltd , o firma de cercetare comerciala de la Universitatea Oxford, a declarat ca este in discutii cu mai multi producatori pentru tehnologia ISIS. Samsung Electronics a depus, de asemenea, mai multe brevete legate de metamateriale si incarcare wireless.

Alte companii care mentioneaza metamateriale in informatiile depuse pentru brevet includ Harris Corp, NEC Corp, Hewlett – Packard Co si Panasonic Corp.

In cele din urma materialele vor fi incorporate in uzul zilnic fara prea multa agitatie, sustine Wil McCarthy, director de tehnologie in cadrul producatorului de ferestre inteligente RavenBrick LLC, din Denver, si titular al unui brevet care, spera acesta, va face ca metamaterialele sa fie folosite la polarizarea ferestrelor.

„Oamenii care vor cumpara aceste produse nu vor avea nicio idee despre modul in care functioneaza, si nu vor sti sau nu le va pasa ca fac lucruri care ininte erau considerate imposibile”, crede McCarthy.

TEDxTalks: Andrea Alu, despre metamateriale si invizibilitate