Dat natuurkunde soms net magie is bleek deze maand maar weer eens. Een groep Schotse wetenschappers presenteerde vol trots een nieuw materiaal, speciaal ontworpen en gemaakt in hun laboratorium. Dit materiaal is flexibel en doorzichtig – en als het slim gestapeld wordt, kan je er voorwerpen onzichtbaar achter verbergen. Metaflex, zoals de onderzoekers het spul noemen, brengt ons in één keer drie stappen dichterbij de echte Harry Potter-onzichtbaarheidsmantel.

Metamaterialen en onzichtbaarheid

J. Pendry et al.

J. Pendry et al.

De onzichtbaarheid die je met metamaterialen kunt maken is eigenlijk gezichtsbedrog. De materialen buigen het licht om een voorwerp heen, zoals water dat om een steen in een rivier heen vloeit. Als je dicht bij het voorwerp komt dat achter de mantel zit, zal je kunnen zien dat er iets niet klopt. Maar als je ver genoeg weg staat en geen vreemde dingen verwacht kan een geschikt metamateriaal je goed voor het lapje houden.

Flexibel en losstaand

De grootste doorbraak die de Britse onderzoekers, Andrea Di Falco en zijn team, met dit metamateriaal hebben bewerkstelligd is dat ze het kunnen presenteren als een buigbaar en doorzichtig stukje plastic. Metamaterialen worden in het algemeen gemaakt door nauwkeurig laagjes van verschillende materialen op een achtergrond aan te brengen er een patroon in weg te etsen. Tot nu toe moest het plaatje achtergrondmateriaal – meestal silicium – eraan vast blijven zitten. Metaflex zit ook op een laagje materiaal, maar in plaats van hard en ondoorzichtig silicium is dit een flexibel laagje doorzichtig plastic. Dat maakt het geschikt om vervormbare objecten van te maken. Je kunt het bovendien in doorzichtige materialen, zoals lenzen, toepassen, zonder de doorzichtigheid te verliezen.

Om Metaflex te maken zijn een aantal productiestappen nodig. Eerst wordt er een oplosbaar laagje materiaal op een harde ondergrond aangebracht (a). Daar bovenop komt een membraan van flexibel, doorzichtig plastic (b). Een laagje metaal daarbovenop © wordt voorzien van een masker (d). Door het masker en het metaal dat er direct onder zit weg te etsen blijft een gestructureerd patroon van metaal op het plasticlaagje over (e). Tenslotte wordt de oplosbare laag weggehaald, zodat het plastic membraan van de harde ondergrond af gehaald kan worden.

Nu ook voor zichtbaar licht

Susumu Tachi, Keio University (Japan)

Susumu Tachi, Keio University (Japan)

Dat je metamaterialen kunt gebruiken om voorwerpen onzichtbaar te laten lijken is al vaker aangetoond. De eerste onzichtbaarheidsmantels werkten echter alleen voor infrarood licht. De grootte van de structuren in het metamateriaal bepalen voor welke golflengten van licht het materiaal zijn werk doet. Hoe groter de structuren, hoe groter de geschikte golflengte – vandaar dat het makkelijker is om een infrarode mantel te maken dan eentje voor zichtbaar licht. De eerste metamateriaalmantels waren ook nog eens heel kieskeurig als het om de kleur licht die ze om moesten buigen ging: ze werkten alleen voor één heel bepaalde kleur infrarood.

Metamaterialen die zichtbaar licht om kunnen buigen en die gevoelig zijn voor een brede band aan kleuren zijn de laatste jaren in opkomst. Metaflex is zo’n materiaal: het werkt het beste voor oranje licht (met een golflengte van 620 nm), maar kleuren daar in de buurt worden ook goed omgebogen. In combinatie met zijn andere eigenschappen wordt het wel een heel aantrekkelijke kandidaat voor echte toepassingen. Maar we zijn er nog niet…

Bouwsteentjes

Een laagje Metaflex in een pincet.

Om Metaflex als onzichtbaarheidsmantel te gebruiken zijn de enkele laagjes die nu in het lab zijn gemaakt niet genoeg. Je hebt een gestapelde structuur van laagjes nodig. De onderzoekers die Metaflex ontwikkelden denken dat het niet heel moeilijk kan zijn om hun materiaal te stapelen en dan echt als onzichtbaarheidsmantel te gebruiken. Berekeningen en computersimulaties wijzen in ieder geval in die richting – maar het is nog niet echt gedaan. Metaflex is dus niet echt een geschikt metamateriaal voor Harry Potter’s cape. Het is er eerder een bouwsteentje voor.

Een andere vraag die nog open staat is wat er met de eigenschappen van het materiaal gebeurt als je het buigt. De onderzoekers beloven in hun artikel dat ze daar binnenkort berekeningen over openbaar zullen maken. Als de eigenschappen van het materiaal erg veranderen als je het buigt zou het kunnen dat het materiaal niet altijd dezelfde kleuren kan ombuigen. Dat zou een vreemd effect opleveren. Het kan bijvoorbeeld dat je een voorwerp achter zo’n mantel weliswaar niet meer als zichtbaar voorwerp ziet, maar dat de vervorming van het licht wel heel duidelijk verraadt waar de mantel is. Hopelijk is er over een paar maanden een prototype dat deze vragen kan beantwoorden.

Bron

Andrea Di Falco et al. Flexible metamaterials at visible wavelengths. New Journal of Physics, 4 november 2010.

Zie ook:

• Onzichtbaarheidsmantel voor aardbevingen
• Het nut van de onzichtbaarheidsmantel

Meer lezen over metamaterialen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/metamateriaal/metamaterialen/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}