22 Ноября 2019

Как получить материалы с необычными свойствами

Исследование метаматериалов в петербургском ГАСУ

Юлия Юрьевна
Ершова

Старший преподаватель кафедры математики СПбГАСУ Юлия Юрьевна Ершова стала одним из авторов статьи «Свойство временной дисперсии как черта сред с критическим контрастом», опубликованной в SIAM Journal on Applied Mathematics. В статье описывается математическая модель сетчатых метаматериалов, которые можно получить посредством геометрического критического контраста из тонких периодических структур. Мы обратились к преподавателю, чтобы узнать подробности.


Рассказывает Ю. Ю. Ершова:

– Метаматериалы, а также материалы с памятью и композиты, являются предметом пристального изучения современных ученых. Дело в том, что метаматериалы обладают временной дисперсией и необычными акустическими и электромагнитными свойствами. Материалов, обладающих такими свойствами, нет в природе, однако их можно получить технологически.

– Каким образом это можно делать?

– Сейчас метаматериалы создаются в основном как композиты. Это периодические среды, которые состоят из двух или более видов материалов. Чтобы добиться получения необычных электромагнитных и акустических свойств, следует сочетать «жесткую» и «мягкую» компоненту. Результирующие свойства композита зависят от свойств исходных компонентов. Если контраст между свойствами составных частей подобран правильно, его называют критическим, и композит будет обладать свойствами метаматериала.

Приведу пример: если резиновую матрицу периодически заполнить эбонитовыми шариками, то получившийся в итоге материал не пропускает звуковые волны в некоторых диапазонах.

– Неужели все настолько просто?

– Нет, на практике получить композит со строго желаемыми свойствами не всегда просто. Но свойствами метаматериалов обладают не только композиты. 

Существует еще один способ создания метаматериалов — материалы, представляющие собой периодическую сетку из тонких трубочек и узлов их соединения. Все трубочки сделаны из однородного обычного материала, но правильный подбор этого материала, а также геометрической структуры сети, дает сетчатую среду, ведущую себя как метаматериал. Это еще называется геометрическим критическим контрастом.

С развитием 3D-печати создание таких метаматериалов стало технически осуществимо и в некоторых случаях проще, чем подбор композита.

Композитный материал, схема петербургский строительный вуз

Периодический композитный материал, состоящий из условно мягкого и жесткого материалов

– Проводились ли раньше подобные исследования?

– Появление метаматериалов предсказывал в 60-х годах ХХ века советский физик Виктор Веселаго. Он доказал, что отрицательный коэффициент преломления света возможен только при отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемости, а плоскопараллельная пластина из такого материала должна передавать изображения без искажений.

Благодаря этим исследованиям в 2000-х гг. появились «отрицательные материалы» и суперлинзы, создающие гораздо более четкие изображения с деталями, меньшими половины длины волны. Обычные линзы имеют дифракционный предел, поэтому им недоступна подобная четкость.

– Где еще могут найти применение метаматериалы?

– В оптике при создании улучшенных линз и «невидимости» в определeнных частотах. В радиотехнике, для шумоизоляции в определенных частотах, для создания батареек. Практическое применение сетчатых сред — сфера современных исследований физиков, инженеров, математиков. 


Текст:

✔ Изучите подробности о кафедре математики, научных исследованиях и преподавателях

Факультеты

  • Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
    Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
  • Автомобильно-дорожный факультет
    Автомобильно-дорожный факультет
  • Факультет экономики и управления
    Факультет экономики и управления
  • Архитектурный факультет
    Архитектурный факультет
  • Строительный факультет
    Строительный факультет
  • Институт безотрывных форм обучения
    Институт безотрывных форм обучения
  • Факультет судебных экспертиз и права в строительстве и на транспорте
    Факультет судебных экспертиз и права в строительстве и на транспорте
Форма обратной связи:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Сообщение:
Введите код с картинки: Обновить картинку

Обновить картинку