Naarmate het opwindende nieuwe veld van metamaterialen vordert, Duke is een van 's werelds toonaangevende onderzoekscentra geworden. Opgericht in 2009, Duke's Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics (CMIP) is uitgegroeid tot tientallen onderzoekers die zich toeleggen op het onderzoeken van kunstmatig gestructureerde materialen.

Wat deze verschillende metamateriaaltechnologieën gemeen hebben, is de beheersing van golven, van golven van water rond de romp van een schip, naar de elektromagnetische frequenties die onze communicatie voeden, tot geluidsgolven die in meters worden gemeten. Gezien deze omvang, de potentiële effecten van dit werk zijn nog steeds niet te meten.

"Er zijn veel manieren om golven te beheersen, waarvan er vele niet eerder waren bedacht of echt werden uitgebuit, " zei David R. Smith, medeoprichter van CMIP en hielp bij het werven van gelijkgestemde collega's voor Duke. "Metamaterials heeft ons een manier gegeven om golven te beheren op een manier die echt ongekend is."

Proberen om 'de terahertz gap' te vullen

Elektriciteit en computertechniek Professor Willie Padilla, die in 2014 naar Duke kwam van Boston College, concentreert zijn werk op de kleinste schaal van golflengten. Zijn onderzoek naar metamaterialen lijkt het meest op dat van David R. Smith, met wie hij 15 jaar geleden aan de originele split-ring resonators werkte aan UC San Diego. Maar Padilla is vooral gericht op terahertz-frequenties die tussen microgolven en infrarood in het elektromagnetische spectrum liggen.

Het terahertz-regime is lange tijd genegeerd door de wetenschap omdat het zich niet goed leent voor manipulatie. De radio- en microgolfapparaten die we overal om ons heen hebben, werken op elektronen. Optische en infrarood apparaten werken op fotonen. Maar aangezien deze apparaten fotonen of elektronen proberen te manipuleren in frequenties die verder van hun comfortzones in het elektromagnetische spectrum liggen, ze botsen tegen een muur en gedragen zich niet meer zoals gevraagd. Tussen de voorkeursfrequentieschijven van beide deeltjes ligt het terahertz-bereik.

"Er is een fundamentele kloof, of in ieder geval een tekort aan technologie, in het terahertz-bereik omdat onze bestaande technologie is gebaseerd op deze twee fundamentele deeltjes (het elektron en het foton), " zegt Padilla. "Je kunt die terahertz-leemte niet per se opvullen, maar je kunt er manieren omheen vinden."

Padilla zegt dat als ze onder de knie kunnen worden, terahertz-golven hebben eigenschappen die nuttig kunnen zijn. Ze kunnen droge kleding binnendringen, waardoor ze een goede keuze zijn voor screening op luchthavens. Ze kunnen ook een veel grotere bandbreedte bieden voor communicatie, hoewel hun onvermogen om vocht in de lucht binnen te dringen hen waarschijnlijk zal beperken tot intersatelliettoepassingen in de ruimte, geen point-to-point toepassingen op een bewolkte aarde.

Padilla werkt ook aan metaalvrije metamaterialen die zijn ontworpen om elektromagnetische golven te absorberen in plaats van ze te focussen of uit te zenden. Dergelijke materialen kunnen goed zijn voor het oogsten van energie of detectoren die actief kunnen scannen op methaan- of aardgaslekken, de gezondheid van uitgestrekte gewassen in de gaten houden of plastic snel sorteren voor recycling.

"Thermische infraroodcamera's zijn beperkt tot het infraroodbereik, " zei Padilla. "Met deze absorbers van metamateriaal, we kunnen thermische camera's bouwen in andere delen van het spectrum waar het anders onmogelijk zou zijn."

Licht vangen in nanoscopische structuren

De "P" in het CMIP-acroniem staat voor plasmonics, dat is de specialiteit van Maiken Mikkelsen, die in 2012 bij Duke kwam werken. Plasmonics gebruikt fysische fenomenen op nanoschaal om bepaalde lichtfrequenties op te vangen, verschillende interessante gedragingen uitlokken.

Dit wordt bereikt door zilveren kubussen van slechts honderd nanometer breed te maken en ze slechts enkele nanometers boven een dunne goudfolie te plaatsen. Wanneer invallend licht het oppervlak van een nanokubus raakt, het prikkelt de elektronen van het zilver, het vangen van de energie van het licht, maar alleen op een bepaalde frequentie.

De grootte van de zilveren nanokubussen en hun afstand tot de basislaag van goud bepaalt die frequentie, terwijl het regelen van de afstand tussen de nanodeeltjes het mogelijk maakt om de sterkte van de absorptie af te stemmen. Door deze afstanden precies op maat te maken, onderzoekers kunnen het systeem elke gewenste frequentie van licht laten absorberen of uitstralen, helemaal van zichtbare golflengten tot het infrarood.

Het vermogen om elke frequentie van licht in deze gebieden te absorberen of uit te zenden door structurele eigenschappen aan te passen, leidt tot enkele interessante ideeën voor toepassingen. Bijvoorbeeld, Mikkelsen werkt aan de ontwikkeling van de technologie naar een nieuwe manier om beelden door meerdere spectrums te detecteren. Dergelijke beeldvormingsapparatuur kan duizenden planten en mineralen identificeren, kankerachtige melanomen diagnosticeren en weerpatronen voorspellen, gewoon door het spectrum van licht dat ze reflecteren.

Deze applicatie heeft een voorsprong op de huidige beeldtechnologieën die kunnen schakelen tussen spectrums, omdat ze duur en omvangrijk zijn omdat ze talrijke filters of complexe assemblages vereisen. En de noodzaak van mechanische beweging in dergelijke apparaten vermindert hun verwachte levensduur en kan een verplichting zijn in zware omstandigheden, zoals die door satellieten worden ervaren.

"Het is een uitdaging om sensoren te maken die zowel het zichtbare spectrum als het infrarood kunnen detecteren, "zei Mikkelsen. "Traditioneel heb je verschillende materialen nodig die verschillende golflengten absorberen, en dat wordt omvangrijk en duur. Maar met onze technologie de reacties van de detectoren zijn gebaseerd op structurele eigenschappen die we ontwerpen in plaats van op de natuurlijke eigenschappen van een materiaal. Wat echt opwindend is, is dat we dit kunnen combineren met een fotodetectorschema om beeldvorming in zowel het zichtbare spectrum als het infrarood op een enkele chip te combineren."

De techniek kan ook worden gebruikt voor afdrukken. In plaats van pixels te creëren met gebieden die zijn afgestemd op specifieke kleuren, Mikkelsen en haar team creëren pixels met drie staven bestaande uit zilveren nanokubussen die drie kleuren absorberen:blauw, groen en rood. Door de relatieve lengtes van elke staaf te regelen, ze kunnen dicteren welke combinatie van kleuren de pixel weerspiegelt. Het is een nieuwe kijk op het klassieke RGB-schema dat voor het eerst werd gebruikt in de fotografie in 1861.

Maar in tegenstelling tot de meeste andere toepassingen, het plasmonische kleurenschema belooft in de loop van de tijd nooit te vervagen en kan keer op keer betrouwbaar en nauwkeurig worden gereproduceerd. Het stelt zijn gebruikers ook in staat om kleurenschema's in het infrarood te maken.

"Opnieuw, het spannende is om in zowel zichtbaar als infrarood te kunnen printen met dezelfde materialen, "zei Mikkelsen. "Het is vrij opmerkelijk hoe de eigenschappen van een constructie volledig kunnen worden veranderd door kleine veranderingen in de opstelling terwijl dezelfde materiële bouwstenen worden gebruikt."

Buigen klinkt als een hologram

Aan het andere uiterste van golflengten, ver buiten de elektromagnetische schaal, CMIP-groepslid Steve Cummer heeft manieren bedacht om geluid te controleren met metamaterialen.

"Ik maakte deel uit van het Duke-team dat werkte aan cloaking met John Pendry en David Smith, en een natuurlijke vraag die uit dat werk naar voren kwam, was:kun je dezelfde trucjes doen om andere soorten golven te beheersen?" zei Cummer, die een professor in elektrische en computertechniek is en ook blijft werken met elektromagnetische metamaterialen.

"Geluidsgolven waren een natuurlijke tweede keus om naar te kijken, "zegt Cummer. "Na zes maanden van doodlopende wegen, Ik heb eindelijk een aanpak gevonden die werkte en liet zien dat je geluidsgolven op dezelfde manier kunt beheersen, als je de juiste materiaaleigenschappen kunt creëren."

De juiste materiaaleigenschappen bleken de dichtheid en compressiestijfheid te zijn van de vloeistof waar het geluid doorheen gaat. Cummer ontdekte dat - net als bij elektromagnetische metamaterialen - als hij specifieke structuren creëerde met anderszins onopvallende materialen, hij kon bepalen hoe geluidsgolven bewogen.

De kleurrijke plastic structuren die zijn team maakt met 3D-printen, lijken veel op Lego-blokken die in verschillende configuraties kunnen worden gestapeld en gerangschikt om verschillende resultaten te verkrijgen. De binnenkant van de plastic blokken bevat spiralen en andere vormen die geluidsgolven dwingen om paden van verschillende lengtes te nemen. De verschillende reislengtes in de interne structuur van elk blok vertragen delen van een geluidsgolf in verschillende mate, het veranderen van de vorm van de golf die opkomt aan de andere kant van een reeks blokken.

In een proof-of-concept-onderzoek uit 2016, Cummer en zijn team bouwden een muur van dergelijke blokken, zorgvuldig op maat gemaakt om een ​​geluidsgolf te vormen tot een willekeurig gevormd hologram, een gevormd geluid. Ze kozen ervoor om de vorm van de hoofdletter A te maken.

"De meeste mensen zijn bekend met hologrammen gemaakt van licht, "zei Cummer. "Dat is een algemene truc die je met alle soorten golven kunt doen. De sleutel is hoe je een plat oppervlak gebruikt om een ​​ingewikkeld, driedimensionaal golfveld. We creëerden een akoestische metamateriaalstructuur waarbij het geluid dat aan de andere kant opkomt een veel gecompliceerder geluidsveld is. Terwijl we de geluidsgolf de vorm van de letter A lieten aannemen, we kunnen misschien iets doen zoals het nabootsen van het gecompliceerde geluidsveld dat wordt geproduceerd door een live orkest uit een enkele luidspreker."

Andere toepassingsgebieden zijn onder meer geluidsisolatie of geluidsabsorptie, waar compactere structuren alleen de ongewenste tonen konden absorberen, de rest ongewijzigd laten. En als het idee zou kunnen worden verkleind tot ultrasone afmetingen, de techniek kan kleinere, goedkoper, energiezuinigere apparaten voor echografie.'

Rimpelingen van experimenteren, reizen in alle richtingen

Elders in het Centrum voor Metamaterialen en Geïntegreerde Plasmonics, teams werken aan draadloze krachtoverbrenging, microgolfbeeldvorming voor veiligheidsonderzoek, zogverwijdering in zeeschepen en meer. Hun verkenningen variëren van theoretische berekeningen tot prototypes met commercieel potentieel.

En de groep blijft groeien. In de zomer van 2018, Natalia Litchinitser zal zich bij de groep voegen van de Universiteit van Buffalo. Ook werkzaam op het gebied van optische fotonica, Litchinitser streeft projecten na zoals het creëren van een metamateriaallens die cellulaire kenmerken kan oplossen die kleiner zijn dan de golflengte van licht en verhultechnologie die werkt door licht rond een lange, dun voorwerp in plaats van erop te stuiteren.

"Het is iets dat begon als een zeer wetenschappelijk streven, zeer fundamenteel onderzoek, bijna filosofisch, " zei Smith. Maar nu zijn er metamateriaalbedrijven in opkomst. "De reis was spectaculair, " Smith zei. "Uitgaande van 'waar is dit goed voor?' - wie weet, who cares - in echt bizarre, gekke ideeën, en nu in verfijnde feitelijke commercialisering van ideeën.