Оптическая невидимость. Секреты создания причёсок при помощи невидимок

Обмен жидкостью у большинства насекомых устроен не так, как у людей. Маленькие животные очень неохотно расстаются с драгоценной влагой, а потому даже микроскопические частицы воды, которые они выделяют в качестве своеобразного «пота», обладают рядом весьма интересных свойств. Ученые обратили внимание на то, что подобные выделения у цикадок (род Cicadella) способны изменять длины световых волн. Эта механика может лечь в основу маскировочных технологий будущего и позволит инженерам разработать самый настоящий плащ-невидимку!

Невидимость: наука учится у природы

Существует несколько способов достичь полной или частичной невидимости тела, и животные активно пользуются ими для маскировки в естественной среде обитания. Благодаря поглощению света крыльями цикадки ей удается становиться незаметной для хищников. Ученые из Университета штата Пенсильвания придумали синтетические материалы, которые имитируют микрочастицы, используемые насекомыми. Для этого они проделали в ткани наноотверстия для поглощения света, поступающего с любой стороны, в широком диапазоне частот.

Искусственные брохосомы, окрашенные специальным красителем

Как отмечают сами ученые, синтетические материалы помогли биологам наконец понять то, как цикадкам удается так хорошо маскироваться в дикой природе. Сами микрочастицы называются брохосомы: с помощью сложного пятиступенчатого электрохимического процесса, исследователям удалось создать их имитацию. Искусственный материал в результате способен поглощать 99% направленного света — от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному, включая и видимый диапазон.

Когда исследователи решили испытать свое детище на практике, то поместили его на листья растения и изучили с помощью «взгляда божьей коровки» — устройства, ограничивающего зрительный спектр и позволяющего человеку видеть так же, как и одноименное насекомое. Результаты были впечатляющими: визуально отличить лист от лежащей на нем «добычи» было практически невозможно.

Значение изобретения

В настоящее время научное сообщество спорит по поводу того, можно ли сделать полностью невидимый материал. Один из авторов нового исследования, Так-Син Вонг, считает, что все дело в правильном подборе материалов под конкретные нужды — поглощающие материалы полезны не только как средство достижения оптической невидимости. Он приводит в пример оксид марганца, который в настоящее время широко используется в аккумуляторах и суперконденсаторах. Из-за высокой площади поверхности эта частица может создавать хороший аккумуляторый заряд и, как следствие, обеспечить ускоренное протекания химической реакции. Это пригодится для целого ряда задач: к примеру, телескопы смогут намного точнее мониторить глубины космоса, а солнечные батареи научатся эффективнее поглощать энергию света.

Сказка часто становится былью. Ковры-самолеты, волшебные блюдца, в которых отражается далекая реальность, сапоги-скороходы и многие другие выдумки стали вполне обыденной реальностью. Теперь на очереди шапка-невидимка. По крайней мере, американский журнал «Наука» опубликовал статью, в которой изложены основные принципы действия практически идеального средства маскировки.

Проблемы невидимости

Проблемой оптической скрытности объектов занимаются ученые кафедры материаловедения Национальной лаборатории имени Лоуренса в университете Беркли. Руководит работами м-р Сян Чжан. Общая идея состоит в том, чтобы заставить свет огибать некий объект. Подобные разработки уже производились в прошлом, но успеха не дали по той причине, что предыдущие попытки могли отклонять лучи в узком угловом диапазоне. Полной оптической проницаемости или ее иллюзии достигнуть пока так и не удалось. Искажение картины позволяет производить локацию объекта (то есть его визуальное обнаружение). Проблему представляла и недостаточная гибкость маскирующих поверхностей. Всех этих недостатков лишен ультратонкий материал, разработанный в Беркли. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, гибок, но пока слишком дорог.

Принцип действия

Роль сказочников в наше время играют кинематографисты. В фильме «Хищник», Чужой (антагонистический персонаж) использует маскировочное устройство для того, чтобы скрытно приближаться к своим жертвам. Эффект далек от совершенства: пришельца выдают искажения света. Он не прозрачен (хотя обнаружить врага не так легко), на его месте наблюдается некое марево. Реальность превзошла самые смелые режиссерские мечтания. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, делает объект по-настоящему невидимым.

Принцип действия состоит в том, что множество микроскопических зеркал автоматически разворачиваются в направлении источника света. Примерно так же работает «столик для говорящей головы». Фокусник, окруженный снизу зеркалами, остается невидимым для зрителя за исключение возвышающейся над ними части тела. В условиях сложности рельефа и формы скрываемого объекта добиться такого эффекта очень сложно. Но все же возможно.

Технические параметры

Известно, что «плащ-невидимка» покрыт слоем фторида магния, на который нанесен узор из крошечных золотых кирпичиков-антенн толщиной в 30 нанометров. Это очень тонкая пленка, во много раз тоньше волоса. Общая толщина вместе с подложкой составляет 50 нанометров. «Кирпичики» представлены в шести различных размерах, в пределах от 30 до 220 нанометров в длину и от 90 до 175 нм в ширину. Благодаря этим микроантеннам существует возможность поворачивать зеркальные поверхности перпендикулярно направлению света и полностью его рассеивать. При этом учитывается и частота, и фаза излучения, - относительно начального параметра они повернуты на 180 градусов, что позволяет полностью его компенсировать.

При правильной настройке поверхностей полированный золотых плоскостей можно придать отраженному свету любой эффект. Он может изображать фон объекта (например, пол) или нечто совершенно другое. Если плащ-невидимка будет достаточно большим, теоретически им можно накрыть что угодно. К примеру, танк будет похожим на велосипед. Или его вообще будет не видно.

Практические перспективы

Исследования проводились в световом диапазоне с длиной волны 730 нм (ближняя инфракрасная область спектра). Наблюдалось практически идеальное отражение. Это научное достижение впечатляет и наводит на мысли о новом витке гонки вооружений. Однако думать о невидимых танках, ракетах, самолетах и прочих образцах смертоносной техники пока еще рановато. Дело в том, что эксперименты производились с неким объектом сложной пространственной конфигурации, величиной в 36 мкм в аппроксимированном диаметре. Если в дюймах, то это примерно одна тысячная. В миллиметрах… в общем, обычная песчинка, только очень маленькая. Именно ее обернули таинственным «плащом-невидимкой». Наука умалчивает о том, в какую сумму обошлось сделать ее оптически прозрачной.

Впрочем, когда-нибудь и это изобретение может получить практическое применение. К примеру, экраны кинотеатров в настоящее время должны быть идеально ровными, а в случае применения «умных кристаллов-микроантеннок» это требование окажется ненужным, и изображения можно будет проецировать на любые криволинейные поверхности без искажений.

Технология, которая применяется для того, что бы объекты сделать невидимыми в диапазоне видимого света, может быть использована для скрытия от вездесущих электронов некоторых частей электронных устройств. Это может привести к появлению электронных приборов, работающих на совершенно других принципах, чем современные электронные элементы: диоды,тиристоры, транзисторы.

Для реализации оптического “плаща-невидимки” используются так называемые метаматериалы, изготовленные из слоев различных искусственных материалов, обладающих уникальными физическими и оптическими свойствами. Поверхности этих метаматериалов заставляют лучи света преломляться и следовать по такой траектории, будто бы на их пути совсем не было никакого препятствия.

“Мы были вдохновлены идеей реализации оптической невидимости” - рассказывает Ганг Чен (Gang Chen), профессор в области машиностроения Массачусетского технологического института, который возглавлял группу, занимающуюся исследованиями “электронной невидимости. Идеи и технологии, разработанные группой Чена, используют в своих интересах тот факт, что электроны распространяются в материалах способом, который напоминает движение электромагнитных волн, к которым относятся и фотоны света.

Проведенное компьютерное моделирование позволило ученым рассчитать структуру метаматериала, который может “преломлять” поток электронов. Этим материалом оказались наночастицы, ядро которых состоит из материала одного вида и с оболочкой из материала другого вида. Но, в отличие от случая со светом и метаматериалом, электроны не обходят “стороной” эту наночастицу, а проходят сквозь нее с более высокой скоростью.

Когда электроны входят в эту наночастицу, траектории движения электронов изгибаются и затем изгибаются снова, когда эти электроны появляются с другой стороны частицы. В результате создается эффект, что частицы на пути электронов не существовало вообще. Пока эта идея работает только в теории, но исследователи сейчас работают над созданием физического устройства для подтверждения работоспособности идеи на практике.

Если данная идея заработает в реальном мире, то за счет использования такой технологии можно будет создать новые высокоэффективные электронные фильтры, датчики различных физических величин и многое другое. Поскольку компоненты компьютерных микросхем становятся все меньше и меньше, “мы должны придумать новую стратегию управления потоком электронов, электрическим током” - говорит Чен. - “И наш новый принцип является одним из наиболее подходящих для этого”.

Принцип, разработанный учеными из Массачусетса, может стать основой для изготовления нового вида электронного ключа, аналога транзистора, являющегося основой всей современной электроники. Этот ключ с помощью внешнего управляющего сигнала может становиться прозрачным и непрозрачным для потока электронов, беспрепятственно пропуская или препятствуя прохождению через него электрического тока.

“Мы сейчас находимся только в самом начале исследований” - рассказывает Чен. - “И мы пока не уверены как далеко нам удастся зайти, но то, что наша разработка имеет огромный потенциал для применения в будущем, ни у кого не вызывает сомнений”. Более подробная информация о проведенных группой Чена исследованиях и их результаты опубликованы в последнем выпуске журнала Physical Review Letters.

Магнитная невидимость? Невидимость для радаров? Или же оптическая невидимость? Эта последняя не является такой уж невозможной, как кажется на первый взгляд, так как уже несколько исследователей независимо друг от друга пытались дать объяснения тому, как это могло произойти.

Маршалл Барнс предположил, что во время опыта на корабле были поставлены три или четыре генератора, которые ионизировали воду и воздух вокруг до того, что вода начинала кипеть и создавалось зелено-голубое облако, описываемое свидетелями. Конечной целью было вызвать иллюзию невидимости в той форме, которая бы затруднила противнику наблюдение за судном. Другой ученый, Александер Фрезер, предложил иное толкование. По его версии, во время эксперимента вокруг эсминца создавалось не магнитное поле, а термическое. Целью было вызвать эффект, сходный с тем, что можно наблюдать в жаркий весенний день у дороги, когда ее границы сливаются с горизонтом. Но чтобы достичь такой степени нагретости, необходимо было использовать звуковые волны высокой частоты, создав что-то вроде гигантской ультразвуковой печи. Эта гипотеза объясняет как фатальные последствия эксперимента для команды «Элдриджа», так и появление зеленоватого облака, которое возникло благодаря феномену звукосвечения.

Другое объяснение, в чем-то менее занятное, указывает в известных описаниях эксперимента на серию интересных совпадений с такими уже изученными явлениями, как магнитно-ядерный резонанс, который используется для получения изображений хорошего качества процессов, проходящих внутри организма. Все эти объяснения, основанные на хорошо известных процессах, дают некоторое решение проблемы, но лишь частичное.

А что, если речь идет о радикально новой технологии? Указывалось, что Тесла мог быть связан с экспериментом, по крайней мере на его первых фазах; также упоминается имя Томаса Таусенда Брауна, который утверждал, что нашел взаимосвязь между электрическим и гравитационным полями, известную как эффект Биффельда - Брауна.

Джерри Деккер, пропагандист альтернативной науки, дал даже свое собственное толкование технологии, якобы использованных при эксперименте «Филадельфия», взяв за отправную точку описания некоторых очевидцев: "Речь в основном идет о паре катушек, которые были помещены на разные борта судна и которые управлялись двумя раздельными осцилляторами, благодаря чему создались волны скалярного типа. Это исказило матричные поля материи и привело к необычным эффектам".

Возможно, самым многообещающим в плане невидимости из недавних достижений является экзотический новый материал, известный как «метаматериал»; не исключено, что когда-нибудь он сделает объекты на самом деле невидимыми. Забавно, но когда-то существование метаматериалов также считалось невозможным, поскольку они нарушают законы оптики. Но в 2006 г. исследователи из Университета Дьюка в Дарэме (штат Северная Каролина) и Имперского колледжа в Лондоне успешно опровергли это общепринятое мнение и при помощи метаматериалов сделали объект невидимым для микроволнового излучения. Препятствий на этом пути пока хватает, но впервые в истории у человечества появилась методика, позволяющая делать обычные объекты невидимыми. (Финансировало эти исследования DARPA - Агентство перспективных исследовательских проектов Минобороны США.)

Натан Мирволд, бывший главный технолог фирмы Microsoft, утверждает, что революционные возможности метаматериалов «полностью изменят наш подход к оптике и к почти всем аспектам электроники... Некоторые из метаматериалов способны на такие подвиги, которые несколько десятилетий назад показалось бы чудом».

Что представляют собой метаматериалы? Это вещества, обладающие несуществующими в природе оптическими свойствами. При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. В Университете Дьюка ученые внедрили в медные ленты, уложенные плоскими концентрическими кругами (все это немного напоминает по конструкции конфорку электроплитки), множество крошечных электрических контуров. Результатом стала сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических компонентов. Крошечные имплантаты, присутствующие в меди, дают возможность отклонять микроволновое излучение и направлять его по заданному пути. Представьте себе, как река обтекает валун. Вода очень быстро оборачивается вокруг камня, поэтому ниже по течению его присутствие никак не сказывается и выявить его невозможно. Точно так же метаматериалы способны непрерывно изменять маршрут микроволн таким образом, чтобы они обтекали, скажем, некий цилиндр и тем самым делали все внутри этого цилиндра невидимым для радиоволн. Если метаматериал сможет к тому же устранить все отражения и тени, то объект станет полностью невидимым для этой формы излучения.

Ученые успешно продемонстрировали этот принцип при помощи устройства, состоящего из десяти колец из стекловолокна, покрытых медными элементами. Медное кольцо внутри устройства было почти невидимым для микроволнового излучения; оно лишь отбрасывало слабую тень.

Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять параметром, известным как «показатель преломления». Преломление - свойство света менять направление распространения при прохождении через прозрачный материал. Если опустить руку в воду или просто посмотреть через линзы очков, можно заметить, что вода и стекло отклоняют и искажают ход лучей обычного света.

Причина отклонения светового луча в стекле или воде состоит в том, что при входе в плотный прозрачный материал свет замедляется. Скорость света в идеальном вакууме постоянна, но в стекле или воде свет «протискивается» через скопление триллионов атомов и потому замедляется. (Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления. Поскольку свет в любой среде замедляется, показатель преломления всегда больше единицы.) К примеру, показатель преломления для вакуума составляет 1,00; для воздуха-1,0003; для стекла-1,5; для бриллианта - 2,4. Как правило, чем плотнее среда, тем сильнее она отклоняет луч света и тем больше, соответственно, показатель преломления.

Очень наглядной демонстрацией явлений, связанных с преломлением, могут послужить миражи. Если вы, проезжая по шоссе в жаркий день, будете смотреть прямо вперед, на горизонт, то дорога местами покажется вам мерцающей и создаст иллюзию сверкающей водной глади. В пустыне иногда можно увидеть на горизонте очертания далеких городов и гор. Происходит это потому, что нагретый над дорожным полотном или песком пустыни воздух имеет более низкую плотность и, соответственно, более низкий показатель преломления, чем окружающий его обычный, более прохладный воздух; поэтому свет от удаленных объектов может испытать преломление в нагретом слое воздуха и попасть после этого в глаз; при этом у вас возникает иллюзия того, что вы действительно видите удаленные объекты.

Как правило, показатель преломления - величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем продолжает двигаться по прямой. Но предположим на мгновение, что мы в состоянии управлять показателем преломления, так чтобы в каждой точке стекла он мог постоянно изменяться заданным образом. Свет, двигаясь в таком новом материале, мог бы произвольным образом менять направление; путь луча в этой среде извивался бы, подобно змее.

Если бы можно было управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то объект этот станет невидимым. Для получения такого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, но в любом учебнике оптики сказано, что это невозможно.

(Впервые метаматериалы были теоретически предсказаны в работе советского физика Виктора Веселаго в 1967 г. Именно Веселаго показал, что эти материалы должны обладать такими необычными оптическими свойствами, как отрицательный показатель преломления и обратный эффект Доплера. Метаматериалы представляются настолько странными и даже нелепыми, что первое время их практическая реализация считалась попросту невозможной. Однако в последние несколько лет метаматериалы были-таки получены в лаборатории, что вынудило физиков заняться переписыванием учебников по оптике.)

Исследователям, которые занимаются метаматериалами, постоянно докучают журналисты с вопросом: когда на рынке появятся наконец плащи-невидимки? Ответ можно сформулировать очень просто: не скоро.

Дэвид Смит из Университета Дьюка рассказывает: «Репортеры звонят и умоляют хотя бы назвать срок. Через сколько месяцев или, скажем, лет это произойдет. Они давят, давят и давят, и ты в конце концов не выдерживаешь и говоришь, что лет, может, через пятнадцать. И тут же - газетный заголовок, да? Пятнадцать лет до плаща Гарри Поттера». Вот почему он теперь отказывается называть какие бы то ни было сроки.

Поклонникам Гарри Поттера или «Звездного пути», скорее всего, придется подождать. Хотя настоящий плащ-невидимка уже не противоречит известным законам природы - ас этим в настоящий момент соглашается большинство физиков, - ученым предстоит преодолеть еще много сложных технических препятствий, прежде чем эту технологию можно будет распространить на работу с видимым светом, а не только с микроволновым излучением.

В общем случае размеры внутренних структур, внедренных в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. К примеру, микроволны могут иметь длину волны порядка 3 см, поэтому если мы хотим, чтобы метаматериал искривлял путь микроволн, мы должны внедрить в него имплантаты размером меньше 3 см. Но чтобы сделать объект невидимым для зеленого света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм. Но нанометры - это уже атомный масштаб, для работы с такими размерами требуются нанотехнологии. (Нанометр - это одна миллиардная часть метра. В одном нанометре может уместиться примерно пять атомов.) Возможно, это ключевая проблема, с которой нам придется столкнуться при создании настоящего плаща-невидимки. Чтобы произвольно искривлять, подобно змее, путь светового луча, нам пришлось бы модифицировать отдельные атомы внутри метаматериала.