Метаповерхности являются весьма уникальным объектом интенсивных исследований и находят применение в различных областях благодаря своей удивительной способности управлять электромагнитными волнами в микроволновом и оптическом диапазонах. Эти искусственные плоские материалы, обычно состоящие из металлических пластин или диэлектрических структур в однослойной или многослойной конфигурации с субволновой толщиной, обладают преимуществами малого веса, простоты изготовления и способностью контролировать распространение волн как на поверхности, так и в окружающем свободном пространстве. В настоящей статье обобщен недавний прогресс в этой области, классифицированный по приложениям. Начиная с разработки частотно-селективных поверхностей и метаматериалов, подчеркнуты уникальные возможности различных типов метаповерхностей.
Поверхностный импеданс может быть модифицирован и управляем за счет формирования элементарных ячеек метаповерхности, что находит широкое применение в поглотителях поверхностных волн и поверхностных волноводах. Метаповерхности также позволяют формировать луч как при передаче, так и при отражении.
Другим важным приложением является излучение в режиме вытекающей волны, используемое в антеннах. К другим областям применения относятся маскировка, поляризаторы и модуляторы. Управляемый показатель преломления поверхности, обеспечиваемый метаповерхностями, также может быть использован в линзах.
Включение активных и исключительно нелинейных компонентов в традиционные метаповерхности открывает исключительные возможности настройки и переключения. Наконец, метаповерхности позволяют реализовать новые формы визуализации.
Исследователи под руководством профессора Синь Чжана из Бостонского университета представили инновационный подход к звукоизоляции, основанный на использовании метаматериалов. В отличие от традиционных методов, которые полагаются на толстые и массивные конструкции, этот метод использует уникальные свойства метаматериала, обусловленные его геометрической формой и структурой.
В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review B, ученые описывают разработанную ими открытую структуру, напоминающую серию колец, через которые может свободно проходить воздух. При этом такая структура эффективно подавляет распространение звука за её пределами.
С помощью математического моделирования физики определили оптимальную форму и размеры метаматериала для перенаправления акустических волн обратно к источнику. Экспериментально подтвердив эффективность данного подхода, они создали структуру с помощью 3D-принтера и закрепили её на конце пластиковой трубы, к которой был подключен динамик.
Даже при максимальной громкости звука, воспроизводимого динамиком, прослушать его не удавалось, пока кольцевая структура была закреплена на трубе. Снятие этой структуры привело к появлению громкого и неприятного звука в помещении.
Вдохновленные успешным подтверждением своих расчетов в лаборатории, ученые сразу находят массу перспективных применений такой технологии. В самом деле, сегодня уличный и промышленный шум стал настоящей проблемой, а с распространением дронов (жужжание которых считается одним из самых дискомфортных фоновых шумов) грозит еще обостриться. Поэтому такие метаструктуры могут найти широкое применение для уменьшения шума от беспилотников, вентиляторов и кондиционеров — промышленных и бытовых.
«Если мы сможем разместить структуру под лопастями, мы подавим звук, идущий вниз, — обещают авторы работы. — Ее внешняя форма может быть кубической, шестиугольной — любой. Если нам понадобится сложить из них стену, мы сможем использовать шестиугольники». Будем надеяться, ученым удастся реализовать технологию на практике, и тогда наша жизнь станет хотя бы чуточку тише.
Также стало известно, что акустический метаматериал научили переключаться под действием магнитного поля. Американские инженеры создали метаматериал для блокировки звуковых волн, который можно включать и выключать с помощью внешнего магнитного поля. Механизм выключения реализуется за счет изменения геометрии структуры материала, в составе которого присутствуют магнитные наночастицы, и смены знака его модуля упругости, пишут ученые в Advanced Materials.
Qiming Wang
Чтобы свойства акустического метаматериала можно было менять уже после его получения, группа американских инженеров под руководством Цимина Вана (Qiming Wang) из Университета Южной Калифорнии разработала способ управления его структурой с помощью магнитного поля. Для этого необходимую структуру печатали из упругого полимерного материала, содержащего магнитные наночастицы из железа. Реагируя на внешнее магнитное поле, частицы фактически становятся источником внешней нагрузки, деформируя материал и изменяя его свойства.
Структура метаматериала и схематическое изображение его внутренней структуры. K. Yu et al./ Advanced Materials
Для проверки предложенной технологии авторы работы выбрали метаматериал, который блокирует прохождение звуковых волн. Структура материала представляет собой решетку из полых полимерных трубочек, соединенных в небольшую периодическую решетку. Не пропускает через себя звуковые волны такой материал именно за счет правильно подобранной геометрии полостей, благодаря которой для решетки становится характерен отрицательный модуль упругости, то есть в ответ на внешнюю нагрузку такой материал не сжимается, а наоборот, растягивается. Поскольку добиться этого поведения можно только в определенном диапазоне механических напряжений, то выйдя за пределы этого диапазона, материал можно привести в «обычное» состояние с положительным модулем упругости.
Складывание материала при постепенном увеличении внешнего магнитного поля от 0 до 0,4 тесла (i-vi) и после выключения поля (vii). K. Yu et al./ Advanced Materials
Инженеры отмечают, что подобный механизм удаленного управления свойствами метаматериалов с возможностью переключения их свойств будет очень полезным для работы различных акустических устройств, и потенциально такое управление можно реализовать для акустических устройств с различными функциями, необходимых, например, для фокусировки, преломления звуковых волн.
Геометрия акустических метаматериалов, которые сейчас получают с помощью 3D-печати, может быть самой разнообразной. Геометрией, необходимой для выполнения основных функций, могут обладать и достаточно простые геометрии: например, с помощью камеры, состоящей из пяти отсеков, ученые смогли преобразовать эванесцентные волны в обычные звуковые и наоборот. А с помощью значительно более сложного по структуре сенсора физикам удалось различить три независимых накладывающихся друг на друга источника звука.
