Een speciaal gevormd materiaal dat aangepaste breedbandabsorptie in het infrarood kan bieden, kan worden geïdentificeerd en vervaardigd met behulp van "genetische algoritmen, " volgens de ingenieurs van Penn State, die zeggen dat deze metamaterialen objecten aan het zicht kunnen onttrekken door infraroodsensoren, instrumenten beschermen en worden vervaardigd om een ​​verscheidenheid aan golflengten te dekken.

"Het metamateriaal heeft een hoge absorptie over een brede bandbreedte, " zei Jeremy A. Bossard, postdoctoraal onderzoeker in de elektrotechniek. "Er zijn andere schermen ontwikkeld voor een smalle bandbreedte, maar dit is de eerste die een superoctaafbandbreedte in het infraroodspectrum kan dekken."

Een grotere bandbreedte betekent dat één materiaal kan beschermen tegen elektromagnetische straling over een breed scala aan golflengten, waardoor het materiaal bruikbaarder wordt. De onderzoekers keken naar zilver, goud en palladium, maar ontdekte dat palladium een ​​betere bandbreedtedekking bood. Dit nieuwe metamateriaal is eigenlijk gemaakt van lagen op een siliciumsubstraat of -basis. De eerste laag is palladium, gevolgd door een polyimidelaag. Bovenop deze kunststof laag ligt een palladium schermlaag. Het scherm heeft uitgebreide, gecompliceerde uitsnijdingen - subgolflengtegeometrie - die dienen om de verschillende golflengten te blokkeren. Een polyimidelaag bedekt de hele absorber.

"Zolang het goed ontworpen patroon in het scherm veel kleiner is dan de golflengte, het materiaal kan effectief werken als een absorber, " zei Lan Lin, afgestudeerde student elektrotechniek. "Het kan ook 90 procent van de infraroodstraling absorberen die binnenkomt in een hoek van maximaal 55 graden ten opzichte van het scherm."

Om het benodigde scherm voor dit metamateriaal te ontwerpen, de onderzoekers gebruikten een genetisch algoritme. Ze beschreven het schermpatroon door een reeks nullen en enen - een chromosoom - en lieten het algoritme willekeurig patronen selecteren om een ​​eerste populatie van kandidaat-ontwerpen te creëren. Het algoritme testte vervolgens de patronen en elimineerde alles behalve de beste. De beste patronen werden vervolgens willekeurig aangepast voor de tweede generatie. Opnieuw verwierp het algoritme het slechtste en behield het beste. Na een aantal generaties voldeden de goede patronen aan de ontwerpdoelen en overtroffen ze zelfs. Onderweg bleef het beste patroon van elke generatie behouden. Ze rapporteren hun resultaten in een recent nummer van ACS Nano .

"Zonder het genetische algoritme zouden we geen bereik van een octaafbandbreedte kunnen krijgen. "zei Bossard. "Vroeger, onderzoekers hebben geprobeerd de bandbreedte te dekken met behulp van meerdere lagen, maar meerdere lagen waren moeilijk te vervaardigen en goed te registreren."

Dit geëvolueerde metamateriaal kan gemakkelijk worden vervaardigd omdat het eenvoudigweg lagen van metaal of plastic zijn die geen complexe uitlijning behoeven. De doorzichtige dop van polyimide dient ter bescherming van het scherm, maar helpt ook om eventuele impedantiemismatches te verminderen die kunnen optreden wanneer de golf vanuit de lucht in het apparaat beweegt.

"Genetische algoritmen worden gebruikt in elektromagnetisme, maar we lopen voorop in het gebruik van deze methode om metamaterialen te ontwerpen, ' zei Bossard.