Γράφει ο Σπύρος Μανουσέλης
Η είδηση ανακοινώθηκε με ένα άρθρο που μόλις δημοσιεύτηκε στο έγκυρο τεχνολογικό περιοδικό «Nature Materials»: η νέα και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία των λεγόμενων «μεταϋλικών» έκανε πρόσφατα ένα αποφασιστικό βήμα στο να καταστήσει όλα τα γνωστά φυσικά αντικείμενα… αόρατα.
Ο Ιρανοαμερικανός Νέιντερ Ενγκέτα (Nader Engheta) και ο Ιταλός Κριστιάν Ντέλα Τζιοβανπάολα (Cristian Della Giovampaola), δύο πρωτοπόροι ερευνητές που εργάζονται στο αμερικανικό Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια, στον τομέα των μεταϋλικών, είχαν μια ιδιαίτερα έξυπνη και τεχνολογικά φιλόδοξη ιδέα: αν, πριν από πενήντα χρόνια, η τεράστια επιτυχία της Πληροφορικής βασίστηκε στο γεγονός ότι κάθε μορφή πληροφορίας μπορεί να περιγραφεί μέσω του γνωστού δυαδικού συστήματος κωδίκευσης (bit), γιατί να μην επιχειρήσουμε κάτι ανάλογο και στην έρευνα των μεταϋλικών;
«Η εξισορρόπηση της πολυπλοκότητας με την απλότητα έχει παίξει έναν σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας», γράφουν στο άρθρο τους οι ερευνητές. Αυτό ακριβώς συνέβη στην ηλεκτρονική τεχνολογία με την εισαγωγή του δυαδικού κώδικα: η υιοθέτηση της κατάλληλης συνδυαστικής δύο μόνο αριθμών (0 και 1) κατάφερε να σηματοδοτήσει τη γένεση της ψηφιακής τεχνολογίας και την απαρχή της εποχής της πληροφορίας.
Από τη φυσική θεωρία στην τεχνολογία των μεταϋλικών
Τι είναι όμως τα αινιγματικά «μεταϋλικά» (metamaterials) και γιατί γίνεται τόσος λόγος γι’ αυτά στα διεθνή ΜΜΕ; Πρόκειται για τεχνητά ή συνθετικά υλικά που συμπεριφέρονται εντελώς διαφορετικά από τα συνήθη φυσικά αντικείμενα. Για παράδειγμα, μπορούν να αλληλεπιδρούν με τα οπτικά ή τα ακουστικά κύματα, και εν γένει με όλα τα κύματα, με τρόπους που θα ήταν αδιανόητοι για οποιοδήποτε γνωστό μας φυσικό αντικείμενο.
Η ιδιαίτερα ασυνήθιστη -αλλά όχι αφύσικη!- συμπεριφορά αυτών των τεχνητών υλικών οφείλεται στις διαφορετικές ιδιότητες των δομικών μονάδων που από κοινού συγκροτούν αυτά τα αξιοπερίεργα υλικά.
Η επιστημονική έρευνα αλλά και η δυνατότητα τεχνολογικής εκμετάλλευσης των μεταϋλικών ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1990 και έκτοτε προχωρά με ταχύτατους ρυθμούς. Βασιζόμενοι στις πολυάριθμες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα μπορούμε να περιγράψουμε, σε πολύ αδρές γραμμές, και κυρίως να εξηγήσουμε τις όντως ασυνήθιστες φυσικές ιδιότητες αυτών των τεχνημάτων.
Ετσι, γνωρίζουμε ότι, σε αντίθεση με τα συνήθη φυσικά αντικείμενα, τα τεχνητά μεταϋλικά οφείλουν να έχουν τέσσερις ιδιότητες: αρνητικό δείκτη διάθλασης, η φάση του κύματος να προπορεύεται καθώς αυτό απομακρύνεται από την πηγή, το πλάτος του κύματος να αυξάνεται καθώς απομακρύνεται από την πηγή, και, τέλος, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου (E), η ένταση του μαγνητικού πεδίου (H) και το κυματοδιάνυσμα (k) των μεταϋλικών να σχηματίζουν μια αριστερόστροφη τριπλέτα.
Είναι λοιπόν σαφές γιατί τα υλικά που έχουν σχεδιαστεί σκοπίμως ώστε να επιδεικνύουν αυτές τις ιδιότητες διαφοροποιούνται εμφανώς από τα υλικά που συναντάμε στη φύση. Για παράδειγμα, ως προς τις οπτικές τους συμπεριφορές ενδέχεται να έχουν αρνητικό δείκτη διάθλασης των φωτεινών ακτίνων που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους, ενώ τα περισσότερα γνωστά φυσικά υλικά, όπως το νερό ή το γυαλί, έχουν (ευτυχώς!) θετικές τιμές διάθλασης.
Το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας γι’ αυτά τα περίεργα υλικά εκδηλώθηκε από πολύ παλιά, χάρη κυρίως σε μια άλλη ασυνήθιστη ιδιότητα που ορισμένα από αυτά επιδεικνύουν. Οπως διαπίστωσαν, κυρίως μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, στα κύματα που διαδίδονται σε ηλεκτρομαγνητικά μεταϋλικά, το ηλεκτρικό πεδίο, το μαγνητικό πεδίο και το κυματοδιάνυσμα είναι αριστερόστροφα. Πρόκειται δηλαδή για «μεταϋλικά».
Δεδομένων των ασυνήθιστων ιδιοτήτων τους, τα μεταϋλικά χρησιμοποιούνται σε μια σειρά από πρωτοποριακές τεχνολογικές εφαρμογές που κινούνται στα όρια της επιστημονικής φαντασίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο «μανδύας της αορατότητας» που είναι σε θέση να «εξαφανίζει» μεγάλα τρισδιάστατα αντικείμενα.
Ο μανδύας του Χάρι Πότερ από ψηφιακά μεταϋλικά
Οπως γνωρίζουμε, όταν το φως πέφτει πάνω σε ένα αντικείμενο, ανακλάται από την επιφάνειά του προς μια άλλη κατεύθυνση. Και αυτός είναι ο λόγος που μπορούμε να βλέπουμε τα υλικά αντικείμενα του περιβάλλοντός μας: οι φωτεινές ακτίνες ανακλώνται από τα αντικείμενα και προσπίπτουν στα μάτια μας. Εκεί το φως (στα ορατά μήκη κύματος) μεταφράζεται σε αισθητηριακή πληροφορία, η οποία στη συνέχεια αποστέλλεται στον εγκέφαλο και μόνο εκεί μετατρέπεται τελικά σε οπτική εικόνα.
Κάποια μεταϋλικά ωστόσο, τα λεγόμενα «πλασμονικά μεταϋλικά», επιδεικνύουν μια ασυνήθιστη φυσική αλληλεπίδραση με το φως: δημιουργούν το ακριβώς αντίθετο αποτέλεσμα της σκέδασης του φωτός σε σχέση με τα συνήθη υλικά αντικείμενα.
Οι «μαγικοί» μανδύες που φτιάχνονται από τέτοια μεταϋλικά έχουν την ιδιότητα να σκεδάζουν το φως που πέφτει πάνω στην επιφάνειά τους εξουδετερώνοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο τη διάδοσή του. Οταν ανακατεύονται τα πεδία του σκεδασμένου φωτός από τον εξωτερικό μανδύα με τα πεδία του ίδιου του αντικειμένου που καλύπτεται από τον μανδύα, τότε αλληλοεξουδετερώνονται, με αποτέλεσμα την αορατότητα, την οπτική εξαφάνιση δηλαδή του αντικειμένου.
Η πιο πρόσφατη εξέλιξη σε αυτόν τον τομέα είναι η εντυπωσιακή έρευνα που αναφέραμε στην αρχή. Αν επιβεβαιωθούν οι προβλέψεις των δύο επιστημόνων για την αποτελεσματικότητα των «ψηφιακών μεταϋλικών», τότε πιθανά βρισκόμαστε στα πρόθυρα μιας μεγάλης τεχνολογικής ανανέωσης.
Πιο συγκεκριμένα, χάρη σε μια σειρά από επιτυχημένες προσομοιώσεις στον υπολογιστή, οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν πολυεπίπεδες δομές από δύο μόνο εντελώς διαφορετικούς τύπους μεταϋλικών. Κάτι ανάλογο με ό,τι συμβαίνει με την κωδίκευση των αμέτρητων πληροφοριών μέσω ενός δυαδικού συστήματος (bit)!
Με άλλα λόγια, με αφετηρία τα δύο διαφορετικά μεταξύ τους bit-μεταϋλικών κατάφεραν να σχηματίσουν πιο σύνθετες, σταθερές και πολυστρωματικές δομές οι οποίες σχηματίζονται από έναν ορισμένο αριθμό δομικών μονάδων (byte).
Χάρη σε αυτή τη διαστρωμάτωση, οι δομικές μονάδες (byte-μεταϋλικών) μπόρεσαν να αποκτήσουν μια ολοένα και πιο σύνθετη οργάνωση. Επιπλέον, όπως έδειξαν, αυτές οι προσομοιώσεις μεταϋλικών σε υπολογιστή μπορούν να αναπαράγουν τις εξωτικές ιδιότητες ακόμη και των πιο συνθετών μεταϋλικών που δημιουργήθηκαν με άλλες μεθόδους.
Οσο για τις άμεσες εφαρμογές των μεταϋλικών, αυτές δεν περιορίζονται μόνο στην κατασκευή πανίσχυρων οπτικών οργάνων (π.χ. νέων μικροσκοπίων), αλλά και στη δημιουργία νέων μανδυών αορατότητας για την εξυπηρέτηση σκοτεινών στρατιωτικών σκοπών ή σκοπών αστυνόμευσης.
