¿Qué son los metamateriales? ¿Qué tipos y aplicaciones existen?

1. ¿Qué son los metamateriales?

La primera investigación sobre metamateriales se centró en los metamateriales de índice de refracción negativo. El concepto de materiales con permitividad y permeabilidad negativas fue introducido por primera vez por el científico soviético Veselago en 1968 y se predijo que con estos materiales se podría conseguir una refracción negativa y efectos Doppler inversos. Dado que la relación entre el campo eléctrico E, el campo magnético H y el vector de onda k ya no se ajusta a la regla de la espiral derecha cuando la constante dieléctrica y la permeabilidad son negativas, sino a la regla de la izquierda, estos materiales también se conocen como "materiales zurdos", pero estas características no existen en los materiales naturales. No fue hasta 1996 y 1999 cuando se introdujo el concepto de metamateriales, cuando los científicos británicos Pendry et al. diseñaron una disposición periódica de estructuras metálicas de alambre fino y estructuras de anillo resonante abierto (SRR) y demostraron que se podía conseguir una permitividad equivalente negativa y una permeabilidad negativa, respectivamente.

(A) Esquema de un resonador de anillo dividido (SRR) y (B) esquema de una red metamaterial utilizada para demostrar el índice de refracción negativo formado por una matriz cuadrada de resonadores de anillo dividido que imparte permeabilidad magnética negativa al material.

El término "metamaterial" fue acuñado originalmente por el profesor Rodger M. Walser para describir compuestos tridimensionales de estructura periódica inexistentes en la naturaleza y fabricados artificialmente. Los metamateriales son materiales artificiales con propiedades físicas extraordinarias que no se encuentran en los materiales naturales. Los metamateriales se diseñan en torno a patrones o estructuras a escala micrométrica/nanométrica que les permiten interactuar con la luz u otras formas de energía de maneras que no existen en la naturaleza.

Los metamateriales suelen asociarse a la nanotecnología porque la estructura unitaria que se repite en las aplicaciones ópticas se mide en nanómetros. Es posible que la creación de metamateriales sólo sea posible gracias a la nanotecnología. En el futuro, a medida que la nanotecnología avance en las próximas décadas, se podrán descubrir más metamateriales nuevos y reducir sus costes de fabricación.

2、Características de los metamateriales

(i) Los metamateriales son materiales diseñados y fabricados artificialmente en lugar de materiales naturales;

(ii) Un metamaterial es un material compuesto o híbrido, en lugar de un material simple o puro;

(iii) Los metamateriales presentan propiedades físicas supernormales que no tienen todos los materiales naturales, como índice de refracción negativo, permeabilidad magnética negativa, constante dieléctrica negativa o efecto Doppler inverso;

(iv) Los metamateriales pueden manipular eficazmente las ondas luminosas, electromagnéticas y sonoras modificando las propiedades físicas de la estructura de la unidad básica, la forma, la orientación y la disposición del material;

3、Tipos de metamateriales

Metamateriales electromagnéticos
Metamateriales acústicos
Metamateriales mecánicos
Metamateriales térmicos

4、Escenarios de aplicación de los metamateriales

Superlente

Una hiperlente es una estructura de lente planar bidimensional formada por elementos ópticos que enfocan la luz en una supersuperficie. Se considera una de las 10 tecnologías emergentes más importantes de 2019. Cuando el índice de refracción es positivo, las lentes convencionales son incapaces de enfocar la luz con precisión en áreas de longitudes de onda inferiores al cuadrado debido a la tasa de decaimiento exponencial de las ondas que se desvanecen. Como descubrió Ernst Carl Abbe, las lentes convencionales están limitadas por el límite de difracción; sin embargo, las superlentes (o superlentes) utilizan metamateriales para superar el límite de difracción obteniendo un índice de refracción de -1. La luz que entra en una superlente forma un ángulo negativo o índice de refracción negativo, como se muestra en la figura 3, tiene una normal de superficie y experimenta un doble efecto de enfoque. Para obtener una superlente, el metamaterial debe tener tanto una constante dieléctrica negativa como una permeabilidad negativa para convertir la información sobre el objeto de sub-longitud de onda y reproducir la imagen sin distorsión ni pérdida de información. La lente también puede proyectar ondas difusas entre el objeto situado a un lado de la placa y la imagen formada al otro lado de la lente.

Luz que entra en un metamaterial de índice de refracción negativo

Las superlentes tienen las ventajas de ser más finas, ligeras, baratas, ofrecer mejores imágenes y ser más fáciles de integrar. La polarización, la fase y la amplitud de la luz pueden ajustarse modificando la forma, el sentido de giro, la altura y otros parámetros de la estructura. Las superlentes pueden utilizarse para protección contra terremotos y tsunamis, imágenes de superresolución, fotónica cuántica, óptica no lineal, biodetección, elementos de circuitos ópticos y fotolitografía, entre otras muchas aplicaciones.

Lentes convencionales frente a superlentes

Absorbedores solares

Los dispositivos fotovoltaicos se utilizan ampliamente para convertir la luz solar en electricidad. Sin embargo, sólo pueden convertir una porción limitada del espectro solar y la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos está limitada por Shockley–Límite de Quayse(Hojasp-n(el límite teórico de conversión de energía alcanzable por las células solares nodales)Los límites. Un gran avance impulsado por los metamateriales es el desarrollo de antenas ópticas plasmónicas y plasmónicas de superficie para técnicas de absorción de la luz. Las excitaciones plasmónicas superficiales tienen la capacidad de dirigir, enfocar y dispersar la luz a escala nanométrica, lo queHazloConvirtiéndose en ideales para mejorar la absorción de luz de las células solares. Las limitaciones de las células solares fotovoltaicas convencionales sonEnEl grosor de la célula solar es inferior a 100 µmeficaciase convertirá enbaja; sin embargo, cuandoEnCuando las estructuras de plasma, este problemaseSe ha resuelto y puedeEnAumento del campo eléctrico mientras, , yReducciónBateríaEl grosor yHazlo másdelgada. Además, en las superficies de los metamateriales se producen excitaciones plasmáticas superficialesTiempoPueden utilizarse para controlar las interacciones que se producen en el interior del dispositivo de absorción de luz y mejorar significativamente el campo eléctrico cerca de la superficie. También se están investigando las antenas ópticas de plasma, ya que pueden aumentar significativamente la eficiencia de las células solares al tiempo que reducen notablemente el tamaño del dispositivo. Estas antenas se comportan de forma similar a los colectores de luz, reduciendo las pérdidas por reflexión y aumentando al mismo tiempo la sección transversal de absorción.

Diagrama esquemático del absorbedor.(a)Estructuras de matrices;(b)Construcción de la unidad de absorción;(c)Vista superior de la unidad de absorción;(d)Diagrama del proceso de preparación

Transmisión inalámbrica de energía (WPT)

Transmisión inalámbrica de energía: transmisión de energía eléctrica sin vínculo físico entre dispositivos. Esta tecnología, que genera un campo electromagnético entre el emisor y el receptor para transmitir electricidad, se utiliza en dispositivos como cargadores inalámbricos, implantes biomédicos y vehículos eléctricos. La demanda de sistemas de transferencia inalámbrica de energía (WPT) más eficientes crece a medida que aumenta el número de dispositivos inalámbricos, y los metamateriales resultan prometedores para aumentar la eficacia de estos sistemas.

Resonancia acoplada magnéticamente de doble carga reconfigurable en frecuencia con metamateriales reconfigurables en frecuencia(MRC)-Transmisión de energía por radio(WFT)Sistemas

Detección del cáncer

Detección del cáncer:: Lo siguienteDetección de células malignas en el organismo. El principio básico del sensor ultramaterial para la detección del cáncer es que, como los tumores tienen un mayor contenido de agua que el tejido normal, a frecuencias de microondas, elεyμLa constante dieléctrica de la muestra puede medirse para determinar si es maligna, ya que es superior a la del tejido normal..Spada et al.Se presenta un biosensor formado por un conjunto de resonadores metálicos complementarios en forma de omega. Los investigadores lograron crear un biosensor muy sensible para distinguir el tejido maligno del normal, ya que el campo electromagnético se sitúa alrededor de los resonadores metamateriales, lo que potencia la interacción entre el campo y la muestra.

Aunque los metamateriales siguen teniendo muchas limitaciones y deficiencias, sus peculiares características hacen que tengan amplias perspectivas de aplicación en muchos campos, como la defensa nacional, la aviación y la construcción, lo que atrae a muchos investigadores a invertir en ellos. A medida que las tecnologías de producción y aplicación sigan madurando, habrá cada vez más empresas en la industria mundial de metamateriales, y la escala del mercado seguirá creciendo a un ritmo rápido. Se espera que la escala del mercado mundial de metamateriales alcance los 10.000 millones de dólares en 2026, con excelentes perspectivas para el desarrollo de la industria.

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