Onzichtbaarheid is een superieure zelfbeschermingsstrategie die al lang in de academische wereld en de industrie wordt gebruikt, hoewel het concept tot nu toe het meest wordt aangetroffen in sciencefiction. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Su Xu en collega's in engineering, nanotechnologie, nanobionics en kwantuminformatie in China werden geïnspireerd door de natuurlijke ecologische relatie tussen transparante oceanische dieren en hun roofdieren die een detectiestrategie over meerdere golflengten toepassen. De wetenschappers stelden een nieuw concept voor van onzichtbaarheid over meerdere golflengten waarin een verscheidenheid aan onzichtbaarheidstactieken was geïntegreerd. Ze presenteerden een Booleaanse ontwerpstrategie voor metamateriaal om uiteenlopende materiaalvereisten over schaaloverschrijdende golflengten in evenwicht te brengen. Als proof-of-concept, ze demonstreerden tegelijkertijd langegolfverhulling en kortegolftransparantie met behulp van een nano-imprinttechniek. Het werk breidde stealth-technieken uit van individuele onzichtbaarheidsstrategieën gericht op een spectrum met één golflengte tot geïntegreerde onzichtbaarheid gericht op toepassingen met meerdere golflengten. Deze experimenten zullen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van geïntegreerde metadevices voor meerdere golflengten.

Transparant worden

Het toestaan ​​van de doorgang van licht door het lichaam is een superieure zelfverdedigingsstrategie in de oceaan voor midwaterorganismen. Bijvoorbeeld, de amfipod schaaldier Cystisoma is meestal transparant opzij voor enkele noodzakelijke organen, waaronder ogen, om detectie door roofdieren te voorkomen. Echter, een paar roofdieren kunnen nog steeds transparante prooien detecteren en met succes aanvallen vanwege hun cross-spectrale visie. Als prooien zichzelf volledig zouden kunnen verbergen door de interactie tussen prooi en roofdier in evenwicht te brengen om de transversale visie van roofdieren te overwinnen, hun overlevingspercentages zullen veel hoger zijn. Xu et al. werden bio-geïnspireerd door deze ecologische relatie toen ze een concept van onzichtbaarheid over meerdere golflengten voorstelden dat tegelijkertijd langegolfverhulling en kortegolftransparantie integreerde. De nieuwe strategie vormt een aanvulling op bestaande reguliere strategieën van kameleonachtige adaptieve camouflage en de golfomzeilende onzichtbaarheidsmantel. In dit werk, wetenschappers breken de bestaande ecologische relatie door te proberen de transparante prooi te verbergen voor de transversale visie van hun roofdieren. Als resultaat, deze filosofie van onzichtbaarheid zal van belang zijn voor praktische stealth-technologieën.

De hier voorgestelde strategie is gericht op het realiseren van concepten die tot nu toe in sciencefiction geworteld zijn gebleven. Bijvoorbeeld, Xu et al. stellen zich hun onzichtbaarheidsfilosofie voor om bij te dragen aan de ontwikkeling van een futuristische, transparante stealth-vliegtuigen in het laboratorium, waar piloten hun omgeving vrij kunnen bekijken zonder detectie via het microgolfradarsysteem. Het team construeerde het experimentele apparaat met behulp van microscopisch kleine zilver/nikkeldraden om een ​​extreem lage optische geleidbaarheid te garanderen met nano-imprinting fabricage. De resultaten toonden een optische transparantie van 400 nm tot 760 nm, en aanzienlijk verminderde verstrooiing in het microgolfregime van 6 tot 10 GHz. Het team kon de transparante mantel met zichtbaar licht (blauwe en gele stralen) binnendringen met verwaarloosbaar verlies, waardoor de interne waarnemer vrij naar buiten kan kijken. Het team ontwierp de optisch transparante microgolf onzichtbaarheidsmantel met twee meta-oppervlakken bedrukt op flexibele polyethyleentereftalaat (PET) films en geïsoleerd door een gebogen PET-afstandhouder. De interne laag van het meta-oppervlak fungeerde als een perfecte elastische geleider (PEC) grens, terwijl externe ringresonatoren op het meta-oppervlak voor de juiste fasecompensatie en amplitudebehoudeffecten zorgden.

Engineering van de elektromagnetische respons en ontwikkeling van de optisch transparante microgolfmantel

Xu et al. ontwierp de elektromagnetische respons voor onzichtbaarheid van microgolven volgens de algemene wet van Snell en gebruikte acht soorten ringresonatoren om de mantel te bouwen. Het alleen ontwerpen van eenheidscellen voor onzichtbaarheid door microgolven was onvoldoende om onzichtbaarheid over meerdere golflengten te realiseren. Daarom, het team heeft een Booleaanse ontwerpstrategie voor metamateriaal aangenomen om metastructuren samen te voegen om geïntegreerde single-band functionaliteit te bereiken. Om dit te bereiken, ze integreerden de metastructuren voor het microgolfregime en het zichtbare regime door een Booleaanse logische vermenigvuldiging (aangeduid met ∧ of AND) in een geïntegreerd circuit te gebruiken. De geïntegreerde metastructuren waren gelijk aan het macroscopische metalen netwerk gevormd door in kaart gebrachte microscopische metaaldraden met een extreem hoge lokale elektrische geleidbaarheid met behoud van een extreem lage wereldwijde optische geleidbaarheid.

Om de optisch transparante magnetronmantel te construeren, het team koos voor een geavanceerde nano-imprinttechniek die een groot meta-oppervlak bood om macroscopische objecten te verbergen en uiterst nauwkeurige fabricage van de microscopische metaaldraden op microschaal mogelijk te maken. Ze voerden optische karakterisering van de buitenste laag uit met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). De wetenschappers ontwikkelden de omtrek van de microscopische ringresonator met metalen cirkelvormige draden en oriënteerden verschillende kortsluitdraden langs de radiale richting om de cirkelvormige metalen draden te verbinden. Het team voerde een veldtest uit om het optische doorzicht van de optisch transparante mantel experimenteel te bewijzen in vergelijking met directe waarnemingen zonder de mantel, zodat de gebruiker door de mantel kan kijken met minimale vervorming.

Stealth-technologie

De wetenschappers toonden experimenteel de microgolfverhullingsprestaties onder transversale elektrische (TE) en transversale magnetische (TM) gepolariseerde incidentie en bestudeerden de totale verstrooiingsreductie van het monster over verschillende frequenties. De fase en amplitude van de golf die door de mantel werd gereflecteerd, leek veel op de golf die door het grondvlak werd gereflecteerd, waardoor de totale verstrooiing aanzienlijk wordt verminderd. Op deze manier, de mantel verminderde de totale verstrooiing van het object buiten het frequentiebereik van 6 tot 10 GHz. De resultaten toonden het bereiken van onzichtbaarheid over de golflengten met bewaarde amplitude en onvervormde fase bij microgolffrequenties, naast omnidirectionele transparantie over het zichtbare spectrum. Vergeleken met in het verleden ontwikkelde tapijtmantels, dit werk presenteerde een experimentele demonstratie om onzichtbaarheid te bereiken over regio's met meerdere golflengten door meerdere onzichtbaarheidsschema's te combineren. De stealth-technologie die hier wordt beschreven, zal toegankelijker zijn met geavanceerde nanofabricagetechnologieën.

Door in dit werk langegolfverhulling en kortegolftransparantie te combineren, Su Xu en collega's lieten de ogen van een stealth-systeem de buitenwereld duidelijk observeren, terwijl ze onopgemerkt blijven. Vergeleken met bestaande methoden voor het beheersen van elektromagnetische golven, het Booleaanse metamateriaalontwerp bood een strategie om verschillende onzichtbaarheidsstrategieën te combineren voor integratie van onzichtbaarheid over meerdere golflengten. Het werk omvat geïntegreerde logische schakelingen en maakt de weg vrij om multifunctionele of multifysische apparaten binnen compacte afmetingen te realiseren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk