Research feature
What does the future hold for metamaterials?
+ Related Links
Staff
» Prof Roy Sambles
Related subjects
» Physics and Astronomy
Related research groups
» Electromagnetic and acoustic materials
External links
» University of Exeter Students' Guild
» Research Uncovered
» Thales
» QinetiQ
What are metamaterials?
Lipstick, credit-card chips, carbon fibre and catalytic converters are used every day without a second thought about the complex science behind their creation.
But these items could not exist without putting atoms together in new ways to make metamaterials – fascinating structures that could also unlock the possibilities of invisibility and quantum computing.
Professor Roy Sambles, a professor in experimental physics and head of Exeter’s Electromagnetic and Acoustic Materials research group is giving a public lecture, as part of the Students’ Guild Research Uncovered Series, on how the materials of the future could be man-made creations.
Ahead of the lecture we asked Roy what are metamaterials? How they are created? And, what real-word applications they may have?
What are metamaterials?
We have all heard of the periodic table of elements - nature can put these elements together to make very different materials. Put sodium, a violent and reactive metal, with chlorine, a highly reactive gas, and you get something everyone loves and uses - salt.
But how does this relate to metamaterials?
Roy explained: “If I take a metal, such as copper [a good conductor of electricity], and I put it together with a dielectric [a poor conductor of electricity] such as glass all I have to start with is a piece of copper and a piece of glass - this is dull.
“But if when I put them together they are smaller than the wavelength of the wave with which I am interrogating them I can build synthetic atoms - they are not atoms of course – but I can make little structures that have properties I have designed in.”
Roy explained that this was accidently done by pre-Romans when they put tiny particles of gold in glass to create purple windows.
He said: “Gold in particle form behaves differently, and these particles were smaller than the wavelength of light. Light then interacts with the particles in a funny way and gives you bright colours – in this case purple. In pre-Roman times people working with glass knew this would happen but they didn’t know why!”
He added: “This is part of what we are doing. We are playing with small objects and designing them with specific properties, opening up a huge toolkit for materials scientists to play with.”
How do you create a metamaterial?
Making a metamaterial involves making something small then interrogating it with different wavelengths of light, radio, sound and microwaves.
Humans are fantastically good at decoding information collected in our eyes and ears. Structures that are on the scale of sound waves, which have wavelengths in the centimetre range, are easy to fabricate and can cleverly manipulate sound.
We can, in principle, do the same with light - but it is difficult to make something small enough to work in the visible domain because light waves are very short.
However you can make a lot of interesting materials with new and weird properties for use at microwave frequencies.
What metamaterials do we already have?
Credit-card chips, carbon fibre, catalytic converters and lipstick - a powder in a base sometimes with sheen affects created by tiny flat plates.
Also satellite TV dishes, Roy explained: “Your TV dish can be a mesh because the radiation wavelength is bigger than the size of the hole so it can’t get through. The structure collectively responds like a perfect mirror for microwaves even though to you and I it is quite transparent.”
What could we use metamaterials for?
One exciting and potentially life-saving application is protecting buildings from the damaging ground travelling sound waves of earthquakes. This could be done by directing sound waves around a building by coating the foundations in a metamaterial structured to deflect them.
We could also be moving towards a world where electronics are replaced by light (optical processing) because light is quicker - it would also avoid down conversion of optical fibre signals to electronic and back again. But light needs to be slowed down to be manipulated - and stored - which isn’t easy.
Roy explained: “We are talking about storing it not for a day or a week, but for a nanosecond. That is a long time in terms of light!
“Once you can store light you can use it as the core piece of computing. One of the possibilities is building a quantum computer.”
Metamaterials could have medical application such as helping detect and predict illnesses by telling us exactly what is in a blood or plasma sample molecule by molecule within seconds.
Synthetic metamaterials could also be used to develop bio-compatible materials, such as bone replacements, that are strong, robust, and won
คุณลักษณะงานวิจัยสิ่งที่ไม่ถือในอนาคตสำหรับ metamaterials ?+ ลิงค์ที่เกี่ยวข้องพนักงานรอย sambles »ศวิชาที่เกี่ยวข้อง»ฟิสิกส์และดาราศาสตร์กลุ่มงานวิจัยที่เกี่ยวข้องและ»วัสดุอะคูสติกการเชื่อมโยงภายนอก»นักศึกษามหาวิทยาลัยเอ็กซีเตอร์สมาคม»วิจัยเปิดเผย»เธลีส» qinetiqmetamaterials คืออะไร ?ลิปสติก , บัตรเครดิตชิป เส้นใยคาร์บอน และแปลงตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ทุกวัน โดยไม่มีความคิดที่สองเกี่ยวกับซับซ้อนวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการสร้างของพวกเขา .แต่รายการเหล่านี้ไม่สามารถอยู่ได้โดยไม่ต้องวางอะตอมเข้าด้วยกันในรูปแบบใหม่ เพื่อให้โครงสร้างที่ยังน่าสนใจ metamaterials –ปลดล็อคความเป็นไปได้ของการล่องหนและควอนตัมคอมพิวเตอร์ศาสตราจารย์รอย sambles ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทดลอง และหัวของ Exeter เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าและอะคูสติก กลุ่มงานวิจัยวัสดุให้บรรยายสาธารณะ เป็นส่วนหนึ่งของนักศึกษาวิจัยสมาคมเปิดชุดว่าวัสดุแห่งอนาคต อาจเป็น การสร้างขึ้นก่อนการบรรยาย เราถามว่ารอยอะไร metamaterials ? วิธีที่พวกเขาสร้างขึ้น ? และสิ่งที่พวกเขาอาจจะมีการใช้งานจริงคำ ?metamaterials คืออะไร ?เรามีทั้งหมดยินของตารางธาตุขององค์ประกอบธรรมชาติสามารถวางองค์ประกอบเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อให้วัสดุที่แตกต่างกันมาก ใส่โซเดียม ที่รุนแรงและปฏิกิริยากับคลอรีน , โลหะ , ปฏิกิริยาตอบโต้ก๊าซและคุณจะได้รับบางอย่างที่ทุกคนรัก และใช้เกลือ .แต่วิธีนี้เกี่ยวข้องกับ metamaterials ?รอยกล่าวว่า " ถ้าผมใช้โลหะเช่นทองแดงตัวนำไฟฟ้าที่ดี [ ] , และฉันใส่มันพร้อมกับฉนวนตัวนำไฟฟ้า ] [ ยากจน เช่น แก้ว ทั้งหมดที่ฉันต้องเริ่มต้นด้วยแผ่นทองแดงและชิ้นส่วนของกระจกนี่มันน่าเบื่อ" แต่ถ้าเมื่อฉันใส่กัน พวกเขามีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของคลื่นที่ฉันสอบสวนพวกเขา ฉันสามารถสร้างอะตอม อะตอมของสังเคราะห์ พวกเขาจะไม่สำหรับหลักสูตร แต่ฉันสามารถทำให้โครงสร้างเล็ก ๆน้อย ๆที่มีคุณสมบัติผมมีการออกแบบ”รอย อธิบายว่านี่คือบังเอิญเสร็จก่อนโรมันเมื่อพวกเขาใส่อนุภาคเล็ก ๆของทองในแก้วเพื่อสร้างหน้าต่างสีม่วงเขากล่าวว่า : " ทองในรูปแบบของอนุภาคที่แตกต่างกัน และ อนุภาคเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง แสงแล้วโต้ตอบกับอนุภาคในทางตลกและให้คุณ–สีสดใสในกรณีนี้สีม่วง ก่อนสมัยโรมันคนที่ทำงานกับแก้วรู้ว่าเรื่องนี้จะต้องเกิดขึ้น แต่พวกเขาไม่รู้ว่าทำไม "เขาเพิ่ม : " นี้ เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่เรากำลังทำ เรากำลังเล่นกับวัตถุขนาดเล็ก และการออกแบบ ด้วยคุณสมบัติเฉพาะ เปิดเครื่องมือขนาดใหญ่สำหรับวัสดุนักวิทยาศาสตร์ที่จะเล่นกับ .คุณสร้างแมทิเรียล ?การทำเรื่องเล็ก แล้วสอบสวนแมทิเรียลเกี่ยวข้องกับความยาวคลื่นที่แตกต่างของแสง , วิทยุ , เสียง และไมโครเวฟเป็นมนุษย์ที่ดีในการถอดรหัสข้อมูลที่น่าขนลุกในสายตาและหูของเรา โครงสร้างที่อยู่ในระดับของคลื่นเสียงซึ่งมีความยาวคลื่นในช่วงเซนติเมตร จะง่ายต่อการสร้างและอย่างชาญฉลาดสามารถจัดการเสียงเราสามารถในหลักการ ทำแบบเดียวกันกับแสง แต่มันเป็นเรื่องยากที่จะให้บางสิ่งบางอย่างขนาดเล็กพอที่จะทำงานในการมองเห็นเพราะคลื่นแสงจะสั้นมากแต่คุณสามารถให้มากของวัสดุที่น่าสนใจกับ แปลก และใหม่ คุณสมบัติเพื่อใช้ที่ความถี่ไมโครเวฟสิ่งที่ metamaterials ทำเราได้ ?บัตรเครดิตชิป , คาร์บอนไฟเบอร์ , การแปลงและลิปสติก - ผงในฐานบางครั้งก็มีเงากระทบสร้างโดยจานแบนเล็กนอกจากนี้ อาหาร ทีวีดาวเทียม รอย กล่าวว่า " จานทีวีของคุณสามารถเป็นตาข่าย เพราะความยาวคลื่นของรังสีที่ใหญ่กว่าขนาดของหลุมมันผ่านไปไม่ได้ โครงสร้างโดยรวมตอบสนองเหมือนกระจกที่สมบูรณ์แบบสำหรับไมโครเวฟแม้ว่าคุณและฉันมันค่อนข้างโปร่งใส”สิ่งที่เราสามารถใช้ metamaterials สำหรับ ?หนึ่งที่น่าตื่นเต้นและอาจช่วยชีวิต การปกป้องอาคารเกิดความเสียหายจากพื้นดินเดินทางเสียงคลื่นแผ่นดินไหว นี้สามารถทำได้โดยนำคลื่นเสียงรอบอาคาร โดยการเคลือบรากฐานในแมทิเรียลแบบปัดออกได้เราสามารถย้ายไปยังโลกที่อิเล็กทรอนิกส์จะถูกแทนที่ด้วยแสง ( การประมวลผลแสง ) เพราะแสงจะเร็วมันก็หลีกเลี่ยงการลงแปลงไฟเบอร์ออปติคอลสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์และกลับมาอีกครั้ง แต่ไฟต้องชะลอตัวลงจะถูกควบคุมและจัดเก็บ ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายรอยกล่าวว่า " เรากำลังพูดถึงการจัดเก็บไว้สำหรับวันหรือสัปดาห์ แต่ในเวลาเสี้ยววินาที นั่นคือเวลานานในเรื่องของแสง" เมื่อคุณสามารถเก็บแสง คุณสามารถใช้มันเป็นหลักชิ้นส่วนของคอมพิวเตอร์ หนึ่งในความเป็นไปได้สร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ " .การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์เช่น metamaterials สามารถช่วยตรวจจับและทำนายโรค โดยบอกเราว่าสิ่งที่อยู่ในเลือดหรือพลาสมาตัวอย่างโมเลกุลโดยโมเลกุลภายในไม่กี่วินาทีmetamaterials สังเคราะห์สามารถใช้เพื่อพัฒนาวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ เช่น กระดูก ไส้ ที่แข็งแรง ทนทาน และ วอน
การแปล กรุณารอสักครู่..
