science >> Wetenschap >  >> Fysica

Is het mogelijk om een ​​verhul apparaat te maken?

Het Duke-verhulapparaat omvat: een groep concentrische cirkels. Afbeelding met dank aan Dr. David R. Smith

Onder de vele stijlfiguren die te vinden zijn in sciencefiction en fantasie, weinigen zijn populairder dan het verhulapparaat. In de echte wereld, wetenschappers zijn al lang bezig met onderzoek dat op zijn minst de camouflagetechnologie zou verbeteren, vliegtuigen verbergen voor radar of onze kennis vergroten over hoe licht en elektromagnetische golven werken. In 2006, een groep wetenschappers van Duke University demonstreerde een vereenvoudigd verhulapparaat. In oktober 2006, een onderzoeksteam van Duke, geleid door Dr. David R. Smith, publiceerde een studie in het tijdschrift "Science" waarin een vereenvoudigd verhulapparaat werd beschreven. Terwijl hun apparaat slechts een object maskeerde van één golflengte van microgolflicht, het geeft wel meer informatie die ons zal helpen om te overwegen of een echt verhulapparaat mogelijk is.

Dit verhulapparaat is gemaakt van een groep concentrische cirkels met een cilinder in het midden, waar een object kan worden geplaatst. Toen onderzoekers microgolflicht op het apparaat richtten, de golf spleet, rond het apparaat stromen en aan de andere kant weer bij elkaar komen. Dave Schurig, een onderzoeker in het team van Dr. Smith, vergeleek het effect met "rivierwater dat rond een gladde rots stroomt" [Bron:Duke University]. Alles wat in de cilinder wordt geplaatst, is verhuld , of effectief onzichtbaar voor het microgolflicht.

Het apparaat is niet perfect. Het creëert enige vervorming en "schaduwen van de microgolven" [Bron:New York Times]. Het werkt ook voor slechts één golflengte van microgolflicht.

Om hun verhullende effect te bereiken, het Duke-team gebruikte een relatief nieuwe klasse materialen genaamd metamaterialen . De eigenschappen van metamaterialen zijn gebaseerd op hun structuur in plaats van hun chemie. Voor het verhulapparaat, onderzoekers maakten mozaïekachtige constructies van glasvezelplaten die waren gestempeld met draadlussen, enigszins vergelijkbaar met een printplaat. De opstelling van de koperdraden bepaalt de interactie met elektromagnetische velden. Het unieke voordeel van metamaterialen is dat ze kunnen worden gebruikt om objecten te maken met elektromagnetische eigenschappen die in de natuurlijke wereld niet voorkomen.

De sleutel tot het verhulapparaat is profiteren van een concept dat bekend staat als de brekingsindex . De brekingsindex van een object, of brekingsindex , bepaalt hoeveel licht buigt als het er doorheen gaat. De meeste objecten hebben overal een uniforme brekingsindex, dus licht buigt alleen wanneer het de grens in het materiaal overschrijdt. Dit komt voor, bijvoorbeeld, wanneer licht van lucht in water overgaat.

Als de brekingsindex van een materiaal groter is dan 1, het zorgt ervoor dat het licht naar binnen buigt. Hier zijn enkele brekingsindices voor veelvoorkomende materialen:

  • Lucht - 1.0029
  • IJs - 1.31
  • Water - 1.33
  • Glas - 1.52
  • Saffier - 1.77
  • Diamant - 2.417

Metamaterialen worden gebruikt om objecten te maken met brekingsindices tussen nul en 1. Het Duke-team gebruikte metamaterialen om hun verhulapparaat geleidelijk variërende brekingsindices te laten hebben -- van 1 aan de buitenkant van het apparaat, in het centrum tot nul afnemend. Het resultaat is dat microgolflicht zich subtiel om het apparaat buigt en aan de andere kant kan hervormen, zij het met enige waarneembare vervorming.

Hoewel metamaterialen en cloaking opwindende technologieën zijn, ze hebben veel beperkingen. Laten we er enkele op de volgende pagina bespreken.

Beperkingen van metamaterialen en cloaking

Het Duke-verhulapparaat maskeert slechts een object van één golflengte van microgolflicht. Afbeelding met dank aan Dr. David R. Smith

Er is enige controverse geweest rond enkele van de wetenschappelijke concepten die verband houden met metamaterialen en verhulling. Mensen hebben zich ook afgevraagd of een onzichtbaarheidsmantel echt een mogelijkheid is. Een aantal jaar geleden, sommige wetenschappers beweerden dat het mogelijk was om metamaterialen te maken met a negatief brekingsindex. aanvankelijk, veel experts beweerden dat een negatieve brekingsindex in strijd was met de wetten van de natuurkunde, maar de meesten accepteren nu dat het mogelijk is. Toch, het was moeilijk gebleken om negatieve brekingsmetamaterialen te maken voor zichtbaar licht (Er waren experimenten met negatieve breking gedaan met metamaterialen die microgolflicht beïnvloeden.) Maar dit jaar waren wetenschappers van de Duitse Karlsruhe University en het Ames Laboratory in Iowa in staat om metamaterialen te produceren met een negatieve index van breking voor zichtbaar licht.

Echter, er is nog veel werk aan de winkel voordat een werkmantel is ontwikkeld voor meer dan één golflengte van het zichtbare spectrum, veel minder het soort dat wordt gezien in sciencefictionfilms. Momenteel, een apparaat maken dat werkt op alle golflengten van zichtbaar licht gaan de capaciteiten van wetenschappers te boven. Ze weten ook nog niet of het mogelijk is om meerdere golflengten tegelijk te camoufleren.

Het probleem komt van het koper dat op metamaterialen wordt gebruikt. Het koper moet kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat het beïnvloedt. Met magnetrons, dat is eenvoudig, aangezien de microgolven die bij Duke werden gebruikt iets meer dan 3 centimeter lang waren. De koperen lussen van dat verhulapparaat waren ongeveer 3 millimeter. Maar zichtbaar licht is 400 nanometer tot 700 nanometer, duizenden malen kleiner dan microgolven. Koperen lussen voor die metamaterialen zouden ongeveer 40 nanometer tot 70 nanometer lang moeten zijn. Dergelijke metamaterialen kunnen baat hebben bij toekomstige ontwikkelingen in nanotechnologie.

Hoewel het verhulapparaat van het Duke-team duidelijk zijn beperkingen heeft, het potentieel voor de technologie en voor metamaterialen is enorm. Dr. Smith is terughoudend om grote uitspraken te doen over wanneer een meer geavanceerd verhulapparaat zou kunnen worden gemaakt, maar hier zijn enkele toekomstige mogelijkheden die wetenschappers hebben voorgesteld:

  • Een groot gebouw onzichtbaar maken zodat het park aan de overkant te zien is
  • Verbetering van het bereik van draadloze apparaten door golven te laten buigen en rond obstakels te laten stromen
  • Verhulde militaire voertuigen en buitenposten
  • Het elimineren van schaduwen en reflecties (van een militair vliegtuig, bijvoorbeeld)
  • Opslagapparaten met ultrahoge capaciteit
  • Lenzen die geen vervagingseffect hebben, wat resulteert in ultrascherpe beelden

Als een volledige onzichtbaarheid tientallen jaren of gewoon onmogelijk is, een andere mogelijkheid lijkt intrigerend, en het is niet anders dan wat we in sommige films hebben gezien. Het kan in de toekomst mogelijk zijn om een ​​soort gefaseerd verhulapparaat te maken, waarin elke kleur van het spectrum van zichtbaar licht een fractie van een seconde wordt verhuld. Als dit met voldoende snelheid wordt bereikt, een object zou waarschijnlijk doorschijnend lijken, hoewel niet helemaal onzichtbaar. Denk aan de buitenaardse schurk in de "Predator"-films, die nauwelijks waarneembaar is wanneer hij beweegt, maar verder in wezen onzichtbaar is.

Eindelijk, er is nog een andere factor die het gebruik van een verhulapparaat beperkt, waarvan wetenschappers zeggen dat veel mensen er geen rekening mee houden. Mensen in een verhuld gebied zouden niet naar buiten kunnen kijken omdat al het zichtbare licht zou buigen rond waar ze zich bevinden. Ze zouden onzichtbaar zijn, maar ze zouden blind zijn, te.

Voor meer informatie over onzichtbaarheidsmantels en aanverwante onderwerpen, bekijk de links op de volgende pagina.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe onzichtbaarheidsmantels werken
  • Hoe licht werkt
  • Hoe augmented reality werkt
  • Hoe werken glow-in-the-dark dingen?
  • Hoe ver dringt ultraviolet licht het lichaam binnen?
  • Hoe werkt blacklight?
  • Hoe de eerstelijnslijn werkt
  • Hoe 3D-brillen werken

Meer geweldige links

  • Startpagina voor professor David R. Smith

bronnen

  • Chang, Kenneth. "Flirten met onzichtbaarheid." New York Times. 12 juni 2007. http://www.nytimes.com/2007/06/12/science/12invis.html?ex=1182657600&en=278c566bdab95caf&ei=5070
  • Glausiusz, Josie. "Hoe een onzichtbaarheidsmantel te bouwen." ONTDEK Tijdschrift. 20 november 2006. http://discovermagazine.com/2006/nov/building-invisibility-cloak
  • Smit, David R. "David R. Smith's metamaterialen en negatieve indexpagina." De onderzoeksgroep van David R. Smith. Duke universiteit. http://www.ee.duke.edu/~drsmith/neg_ref_home.htm
  • "Eerste demonstratie van een werkende onzichtbaarheidsmantel." Duke universiteit. 19 okt. 2006. http://www.dukenews.duke.edu/2006/10/cloakdemo.html
  • "Refractieindex." Hyperfysica. Staatsuniversiteit van Georgië. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/indrf.html
  • "Het elektromagnetische spectrum." Afdeling Natuur- en Sterrenkunde. Universiteit van Tennessee. http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/spectrum.html
  • "Theoretische blauwdruk voor onzichtbaarheidsmantel gerapporteerd." Duke universiteit. 25 mei 2006. http://www.dukenews.duke.edu/2006/05/cloaking.html