دنیای فناوری‌های نوین و متامتریال‌ها، امروز به یکی از پویاترین عرصه‌های پژوهش علمی بدل شده است.
با نگاهی دقیق‌تر به این حوزه، ارتباط شگفت‌انگیزی میان مهندسی مواد و توسعه پایدار آشکار می‌شود.
متامتریال‌ها موادی هستند که به صورت مصنوعی طراحی و ساخته شده‌اند و بسته به ترکیب ساختاری ویژه‌ی خود، می‌توانند ویژگی‌هایی فراتر از مواد طبیعی از خود نشان دهند.
این مواد ظرفیت بالایی در کاربردهای مختلف دارند؛ از برداشت انرژی گرفته تا تصفیه محیط و کنترل نویز و در مواجهه با چالش‌های زیست محیطی روزافزون، جایگاه ویژه‌ای در ارائه راهکارهای نوآورانه پیدا کرده‌اند.
در این مقاله به طور جامع به بررسی متامتریال‌ها، انواع آنها و کاربردهای گسترده‌شان خواهیم پرداخت.
1# متامتریال چیست؟
متامتریال‌ها (Metamaterials) یا به عبارتی دیگر، فراماده‌ها موادی هستند که به طور مصنوعی مهندسی شده‌اند و به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که خواصی داشته باشند که به ندرت در طبیعت مشاهده می‌شود.
متامتریال‌ها از مجموعه‌هایی از عناصر متعدد ساخته شده از مواد کامپوزیتی مانند فلزات و پلاستیک ساخته می‌شوند.
برای دستیابی به خواص منحصربه‌فرد خود، فراماده در الگوهای تکراری در مقیاس‌هایی طراحی می‌شوند که از طول موج‌های انرژی که بر آنها تأثیر می‌گذارد، کوچک‌تر است.
خواص آنها از جنبه‌های مواد پایه آنها ناشی نمی‌شود؛ بلکه از ساختار منحصربه‌فرد مهندسی شده آنها به وجود می‌آید.
شکل، هندسه، اندازه، جهت‌گیری و آرایش ساختارهای سطحی بر روی فراماده همان چیزی است که به آنها ویژگی‌های منحصربه‌فرد آنها را می‌دهد.
این ویژگی‌های فیزیکی که بادقت طراحی شده‌اند، فراماده را قادر می‌سازند تا امواج الکترومغناطیسی را برای مثال با مسدود کردن، جذب، تقویت یا خم کردن آنها، دست‌کاری کنند.
تمرکز اصلی فعالیت در مورد متامتریال‌ها بر روی موادی است که ضریب شکست آنها برای طول موج‌های خاص منفی است.
اینها به‌عنوان فراماده با شاخص منفی شناخته می‌شوند.
در دنیای RF و مایکروویو، فراماده برای بهبود عملکرد سیستم‌های آنتن، ویژگی‌های الکترومغناطیسی، جذب تابش الکترومغناطیسی و اصلاح خواص کشسانی مواد استفاده می‌شود.
کاربردهای بالقوه برای فراماده متنوع و امیدوارکننده هستند.
آنها به عنوان کاندیدای فیلتر نوری، دستگاه‌های پزشکی، عملیات هوافضای راه دور، آشکارسازهای حسگر، مدیریت انرژی خورشیدی، کنترل جمعیت، رادوم‌ها، لنزهای آنتن و حتی حفاظت در برابر زلزله پیشنهاد شده‌اند.
لنزهای ساخته شده از فراماده حتی ممکن است تصویربرداری کمتر از حد پراش را فعال کنند که از بزرگ‌نمایی بیشتر لنزهای نوری معمولی جلوگیری می‌کند.
2# ترکیب و مکانیسم فراماده
در حالت کلی، مواد معمولی دارای خواص مکانیکی، حرارتی و نوری هستند که با ترکیب مولکولی یا اتمی آنها مشخص می‌شود.
علم مواد معمولاً بر چگونگی تأثیر این ترکیب بر خواص کلی مواد متمرکز است.
برای مثال چدن را در نظر بگیرید. چدن یک ماده شکننده و سخت است که کار با آن دشوار است؛ اما تنها با کمی کربن (و هزاران سال تجربه متالورژی جمعی)، می‌توان آن را به فولاد تبدیل کرد که هم قوی و هم شکل‌پذیر است.
بلوک‌های سازنده علم مواد معمولاً اتم‌ها و مولکول‌ها هستند، با فلزکاران و دانشمندان پلیمر به طور یکسان این قطعات اساسی را برای ساخت آلیاژ، پلاستیک یا سرامیک بهتر از نمونه‌های قبلی، ترکیب می‌کنند.
در همین راستا، متامتریال‌ها ایده بلوک‌های ساختمانی را یک قدم جلوتر می‌برد.
در واقع، کلمه “meta” از یونان باستان گرفته شده است که می‌تواند به معنای “بیشتر” یا “فراتر از” باشد و به این واقعیت اشاره دارد که فراماده به‌دقت با بلوک‌های ساختمانی فراتر از مقیاس اتمی ساخته شده‌اند.
هر ماده معمولی را می‌توان به‌صورت هندسی در یک سلول “متا”و در گام بعدی در یک الگوی تناوبی کنار هم قرار داد تا یک متاماده ایجاد کرد.
الگوی هندسی ارائه شده توسط مقیاس “متا” برای یک هدف خاص طراحی شده است.
به طور کلی، فراماده از ساختارهای میکروسکوپی تشکیل شده‌اند که در مقادیر زیاد چیده شده‌اند.
3# ویژگی‌های متامتریال
ویژگی اصلی متامتریال چیزی به نام “ضریب شکست منفی” است.
طراحی شکل، اندازه، فاصله آرایش و سایر عناصر متا اتم‌ها که متاماده را تشکیل می‌دهند، رفتاری متفاوت از مواد موجود در دنیای طبیعی مانند ضریب شکست منفی را ممکن می‌سازد.
به عنوان مثال، مسیر نور در جهت مثبت نسبت به جهت فرود به دلیل شکست در سطح مشترک بین هوا و آب خم می‌شود.
این پدیده در دنیای طبیعی «ضریب شکست مثبت» نامیده می‌شود.
از سوی دیگر، اگر این نور بر روی یک متاماده با ساختاری کوچک‌تر از طول موج نور تابیده شود، می‌توان به آن ضریب شکست در جهت منفی داد.
به این ترتیب، متامتریال‌ها می‌توانند متفاوت از مواد موجود در جهان طبیعی رفتار کنند.
امکان کنترل انعکاس، انتقال و سایر خواص طول موج‌های خاص مانند امواج الکترومغناطیسی (نور و امواج رادیویی) و امواج صوتی وجود دارد.
در همین راستا، ویژگی متاماده‌ای که برای کنترل امواج الکترومغناطیسی با طول موج خاص استفاده می‌شود این است که به اندازه کافی کوچک‌تر از طول موج امواج الکترومغناطیسی هستند که می‌خواهید کنترل کنید.
4# متامتریال چگونه کار می‌کند؟
فراماده ساختارهای مصنوعی با خواص مکانیکی هستند که با الگوهای سلولی معمولاً تکراری آنها تعریف می‌شوند.
بر اساس این مفهوم، محققان اجسامی با رفتارهای غیرمعمول ایجاد کرده‌اند، مانند فراماده‌ای که در هنگام فشرده شدن فرو می‌ریزند، دو بعدی روی یک جمع می‌شوند و اجسامی که لایه‌هایی از سلول‌های نرم و سخت را به منظور شبیه سازی مواد مختلف مخلوط می‌کنند.
این به کاربران اجازه می‌دهد تا اشیایی ایجاد کنند که عملکردهای مکانیکی را انجام می‌دهند.
عنصر کلیدی در پس مکانیسم‌های فراماده، نوع خاصی از سلول است که تنها توانایی آن برش است.
برخلاف سلول صلب، این سلول برشی طوری طراحی شده است که در هنگام اعمال نیرو به روشی بسیار خاص تغییر شکل می‌دهد: هنگامی که تحت یک نیروی خارجی قرار می‌گیرد، قیچی می‌کند و در نتیجه نیرویی را به سلول‌های مجاور خود وارد می‌کند.
هنگامی که یک سلول برشی در معرض نیروهای فشاری قرار می‌گیرد، با برش در یک مسیر دایره‌ای مطابقت دارد.
5# طبقه بندی فراماده
متامتریال‌ها بر اساس خواص اصلاح شده مواد حرارتی، صوتی یا حمل و نقل، الکترومغناطیسی و مکانیکی به چندین کلاس مجزا طبقه بندی می‌شوند.
از انواع فراماده می‌توان به موادر زیر اشاره کرد:
1-5# فراماده الکترومغناطیسی
فراماده الکترومغناطیسی نوعی فراماده هستند که با چیدمان ساختارهای فلزی همگن ایجاد می‌شوند.
آنها برای احساس رطوبت، فشار، مولکول‌های بیولوژیکی که در محیط ها وجود دارند و بر اساس نفوذپذیری و گذردهی الکتریکی آنها مشخص می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آنها بر امواج الکترومغناطیسی تأثیر می‌گذارند که با ویژگی‌های سطحی آنها که کوچک‌تر از طول موج تابش الکترومغناطیسی هستند، تعامل دارند.
2-5# متامتریال آکوستیک
متامتریال آکوستیک با ترکیب دو یا بیش از دو ماده با چگالی متمایز و مدول توده‌ای ساخته می‌شوند.
آنها می‌توانند چگالی منفی، مدول ام استیک منفی و جرم ناهمسان‌گرد داشته باشند.
این فراماده را می‌توان به سه دسته مجزا تقسیم کرد:
- بلورهای آوایی
- ساختار تشدید کننده
- سیم پیچ فضایی (اسپیس کوبلینگ)
کریستال‌های آوایی عموماً دارای مکان‌های تشدید کننده و همچنین آرایه‌های منظم پراکندگی صوتی در داخل ماده هستند و تناوب را در ساختار خود ارائه می‌دهند.
ساختارهای رزونانس نوعی متامتریال هستند که برای کنترل صدا و فیلتر صوتی استفاده می‌شوند.
متامتریال اسپیس کویلینگ رزونانس‌های فابری-پروت را فراهم می‌کند و در شرایطی استفاده می‌شود که امواج را می‌توان بدون قطع هدایت کرد.
درست مانند امواج الکترومغناطیسی، امواج صوتی نیز می‌توانند انکسار منفی از خود نشان دهند.
به این ترتیب، متامتریال آکوستیک برای کنترل، هدایت و دست‌کاری عبور صدا از گاز، مایع یا مواد جامد ساخته شده‌اند.
مشابه گذردهی و نفوذپذیری در فراماده الکترومغناطیسی، مدول حجمی و چگالی جرم را می‌توان برای کنترل امواج صوتی دست‌کاری کرد.
این امر فراماده را قادر می‌سازد تا یک سیستم رزونانسی را تشکیل دهند که توسط فرکانس‌های صوتی صحیح برانگیخته می‌شود.
3-5# متامتریال مکانیکی
فراماده مکانیکی شامل مدول الاستیک منفی، مدول برشی صفر و نسبت پواسون منفی است.
مواد با نسبت پواسون منفی دارای خاصیت سفت شدن با افزایش مقدار بار هستند.
همچنین، آنها جذب صدا و ارتعاش خوبی را ارائه می‌دهند و به همین دلیل در کاربردهای دفاعی و هوافضا به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
4-5# متامتریال الاستیک
فراماده الاستیک با استفاده از پارامترهای مختلف ضریب شکست منفی در مواد غیر الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند.
فراماده الاستیک می‌توانند به صورت مایع یا جامد در محدوده فرکانس محدود خود رفتار کنند و ممکن است کاربردهای جدیدی را در مدیریت انرژی صوتی و لرزه‌ای فعال کنند.
5-5# متامتریال ساختاری
میکرو استریولیتوگرافی پروجکشن برای ایجاد ریزشبکه‌هایی مانند خرپاها و تیرها برای تولید فراماده ساختاری استفاده می‌شود.
این تکنیک منجر به تولید مواد جدیدی شده است که چهار برابر سخت‌تر از آئروژل معمولی و با همان چگالی کم هستند.
آنها می‌توانند بارهایی از 160000 برابر وزن خود و حتی بیشتر را تحمل کنند.
6-5# فراماده غیر خطی
از رسانه‌های غیرخطی می‌توان در ساخت متامتریال برای ایجاد موادی استفاده کرد که خواص آنها با تغییر جهت امواج فرودی تغییر می‌کند.
رسانه‌های غیرخطی مانند اینها در توسعه اپتیک غیرخطی بسیار مهم هستند.
اگر گذردهی دی‌الکتریک مؤثر فراماده یک محیط به اندازه کافی کوچک باشد (معروف به محیط اپسیلون نزدیک به صفر)، آنها می‌توانند خواص نوری غیرخطی قابل توجهی از خود نشان دهند.
تغییرات در ضریب شکست منفی مواد نیز می‌تواند برای تنظیم شرایط تطبیق فاز برای ساختارهای نوری غیرخطی استفاده شود.
6# کاربردهای متامتریال
متامتریال‌ها عمداً برای تولید ویژگی‌هایی طراحی شده‌اند که یک ماده معمولی نمی‌تواند نشان دهد.
در طول چند دهه گذشته، ساختارهایی ایجاد شده‌اند که می‌توانند خواص نوری، صوتی، حرارتی و مکانیکی را دست‌کاری کنند.
کاربردهای خاص شامل مواد نوری است که به‌عنوان لنزهای کامل، دمپرهای صوتی کامل، انبساط حرارتی منفی و متامواد مکانیکی سختی منفی عمل می‌کنند.
با کشف کاربردهای بیشتر، این زمینه به سرعت در حال رشد است و پوشش دادن همه نوآوری‌ها در مدت کوتاهی که در اینجا داریم غیرممکن است؛ اما می‌توانیم کمی عمیق‌تر در فراماده مکانیکی عمیق شویم و بسیاری از سیستم‌های بالقوه مواد را که می‌توانیم کشف کنیم.
در حالی که تکنیک‌های صنعتی هنوز برای سنتز فراماده استاندارد نشده‌اند، برخی از کاربردهای بالقوه آنها قبلاً محقق شده است.
1-6# سلول‌های انرژی خورشیدی
یکی از گیراترین قلمروهایی که متامتریال الکترومغناطیس توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است، تولید انرژی خورشیدی است.
این مواد مبتکرانه با اعمال کنترل دقیق بر جذب و تبدیل نور به الکتریسیته، مسیری به سلول‌های خورشیدی بسیار کارآمد ارائه می‌دهند که از طریق دست‌کاری استراتژیک جذب نور و پراکندگی با استفاده از متامتریال، دانشمندان به پیشرفت‌های قابل توجهی در پیشی گرفتن از کارایی سلول‌های خورشیدی سنتی دست یافته‌اند.
یک شرکت پیش‌گام، این مفهوم را با گنجاندن فراماده در فیلم‌های انرژی خورشیدی به مقیاس تولید رسانده است.
این فیلم‌ها با جمع آوری و جذب مؤثر نور، کارایی را افزایش می‌دهند.
2-6# توربین‌های بادی
فراماده با قابلیت‌های چشمگیر خود، کاربردهایی فراتر از انرژی خورشیدی پیدا کرده‌اند و به قلمرو توربین‌های بادی نیز گسترش یافته‌اند.
پره‌های توربین بادی سنتی معمولاً برای اولویت‌بندی آیرودینامیک طراحی می‌شوند که می‌تواند ناخواسته کارایی آنها را در گرفتن پتانسیل کامل انرژی باد محدود کند.
با این حال، متامتریال با تغییر جریان باد در اطراف تیغه‌ها، راه حلی دگرگون کننده ارائه می‌دهند و آنها را قادر می‌سازد به طور مؤثرتر انرژی را مهار و جذب کنند.
این پیشرفت باعث علاقه فزاینده‌ای به مزارع بادی شده است و محققان به طور فعال راه‌های جدیدی را برای بهبود و بهینه سازی فناوری‌های مختلف مرتبط کاوش می‌کنند.
علاوه بر این، فراماده در توربین‌های بادی برای رسیدگی به موضوع اختلال نویز نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3-6# ذخیره انرژی
کاربرد مهم و روبه‌رشد متامتریال الکترومغناطیسی و مکانیکی در ذخیره سازی انرژی است.
از فراماده می‌توان برای ساخت باتری‌هایی استفاده کرد که کارآمدتر و چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری‌های سنتی دارند.
این می‌تواند منجر به توسعه باتری‌های کوچک‌تر و قدرتمندتر می‌شود که در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله خودروهای الکتریکی و وسایل الکترونیکی قابل حمل مفید خواهند بود.
4-6# ساختمان‌های کارآمد انرژی
متامتریال همچنین برای توسعه انواع جدیدی از ساختمان‌های کم مصرف استفاده می‌شوند.
با استفاده از فراماده برای کنترل نحوه عبور گرما و نور از دیوارهای ساختمان، دانشمندان توانسته‌اند ساختمان‌هایی ایجاد کنند که انرژی کمتری مصرف می‌کنند که برای محیط زیست مفید است.
5-6# تصفیه آب و هوا
از متامتریال می‌توان برای ایجاد سیستم‌های ارزیابی و فیلتراسیون آب و هوا کارآمدتر استفاده کرد.
در سیستم‌های آبی، آنها می‌توانند جنبه‌ای از کنترل نحوه عبور نور از آب باشند.
این می‌تواند حذف آلاینده‌ها را از آب آسان‌تر کرده و نوشیدن آن را ایمن‌تر کند.
در سیستم‌های هوایی، آنها می‌توانند بخشی از فرایند باشند و آلاینده‌ها را از هوا حذف کنند.
با استفاده از متامتریال برای کنترل جریان هوا از طریق تصفیه کننده، می‌توان آلاینده‌های بیشتری را از هوا حذف کرد.
6-6# مدیریت حرارتی
از متامتریال ها می‌توان برای ایجاد دستگاه‌هایی استفاده کرد که می‌توانند گرما را به طور مؤثرتری مدیریت کنند.
این می‌تواند برای ایجاد ساختمان‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی با انرژی کارآمدتر استفاده شود.
7-6# آنتن‌ها
متامتریال ها بیشتر و بیشتر در ایجاد آنتن‌هایی استفاده می‌شوند که در ارسال و دریافت سیگنال کارآمدتر هستند.
این می‌تواند سیستم‌های ارتباط بی‌سیم کارآمدتری ایجاد کند که برای طیف وسیعی از کاربردها مفید خواهد بود.
پیشرفت فناوری در لوازم الکترونیکی مصرفی مستلزم آنتنی با اندازه فشرده، بهره و پهنای باند بالا و چندین آنتن در محل اتصال فرستنده به گیرنده برای افزایش ظرفیت کانال است.
در پیشرفت طراحی‌های جدید و فرایندهای بهینه سازی، یکی از این تکنیک‌ها استفاده از فراماده در طراحی آنتن است.
از نظر ارتباط بی‌سیم، ما همچنین می‌توانیم کاربردهای متامتریال را در انتقال توان بی‌سیم پیدا کنیم، جایی که می‌توان از آنها برای ایجاد آنها استفاده کرد.
این سیستم‌ها می‌توانند انرژی را از راه دور به صورت بی‌سیم انتقال دهند.
با استفاده از فراماده می‌توان نحوه انتقال انرژی را کنترل کرد و می‌توان سیستم‌هایی ایجاد کرد که کارآمدتر از سیستم‌های سنتی باشند.
به طور معمول، یک سیستم انتقال برق بی‌سیم جایگزین مناسبی برای انتقال نیرو است، جایی که انتقال برق سیمی معمولی با چالش‌های جغرافیایی مواجه است.
در یک سیستم انتقال قدرت بی‌سیم دوربرد، نیرو از طریق امواج مایکروویو منتقل می‌شود و یک آنتن بسیار هدایت کننده برای انتقال مؤثر از طریق این سیستم مورد نیاز است.
8-6# تشخیص سرطان
اصل اساسی حسگر اولتراماتریال برای تشخیص سرطان این است که چون محتوای آب تومورها بیشتر از بافت‌های طبیعی است، تومورها در فرکانس‌های مایکروویو ε و μ بالاتر از بافت طبیعی هستند، بنابراین ثابت دی الکتریک نمونه را می‌توان برای تعیین بدخیم بودن آن اندازه گیری کرد.
به همین منظور، محققان توانستند حسگر زیستی ایجاد کنند که در تشخیص بافت‌های بدخیم از طبیعی بسیار حساس است؛ زیرا میدان الکترومغناطیسی در اطراف تشدیدگرهای فراماده قرار دارد و تعامل بین میدان و نمونه را افزایش می‌دهد.
نتیجه گیری
متامتریال مواد مصنوعی هستند که خواصی در مواد طبیعی ندارند.
آنها به گونه‌ای مهندسی شده‌اند که خواص الکترومغناطیسی خاصی مانند ضریب شکست منفی داشته باشند که به آنها اجازه می‌دهد نور را به روش‌های غیر معمول خم کنند.
این باعث می‌شود آنها در طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها، از جمله فناوری‌های پایدار مفید باشند. اصطلاحاتی مانند اینترنت اشیا و پایداری به طور فزاینده‌ای صنعت را تسخیر کرده‌اند.
فناوری‌های نوظهور به طور فزاینده‌ای به دنبال شناسایی با آنها هستند و استفاده از فراماده می‌تواند به آنها در دستیابی به این هدف کمک کند.
این کار به توسعه فراماده از نظر کمک به ایجاد و کاربرد فناوری‌های پایدار می‌پردازد.
به طور خلاصه مفهوم توسعه پایدار، انواع برگزیده فراماده را تشریح می‌کند و تأثیر متقابل آنها را نشان می‌دهد.
درباره نویسنده : معصومه آذری
نظرتون درباره این مقاله چیه؟
ما رو راهنمایی کنید تا اون رو کامل تر کنیم و نواقصش رو رفع کنیم.
توی بخش دیدگاه ها منتظر پیشنهادهای فوق العاده شما هستیم.
