À medida que o excitante novo campo dos metamateriais avança, Duke se tornou um dos principais centros mundiais de pesquisa. Fundada em 2009, O Centro de Metamateriais e Plasmônicos Integrados (CMIP) da Duke cresceu para abranger dezenas de pesquisadores dedicados a explorar materiais estruturados artificialmente.

O que essas várias tecnologias de metamateriais têm em comum é o controle de ondas, das ondas de água ao redor do casco de um navio, às frequências eletromagnéticas que alimentam nossas comunicações, a ondas sonoras que são medidas em metros. Dado este escopo, os impactos potenciais desse trabalho ainda estão além da medida.

"Existem muitas maneiras de controlar as ondas, muitos dos quais não foram pensados ​​antes ou realmente explorados, "disse David R. Smith, que co-fundou a CMIP e ajudou a recrutar colegas com interesses semelhantes para a Duke." Os metamateriais nos deram uma maneira de gerenciar ondas de uma forma realmente sem precedentes. "

Tentando preencher 'a lacuna do terahertz'

Professor Willie Padilla, engenheiro elétrico e de computação, que veio para a Duke em 2014 do Boston College, está concentrando seu trabalho na menor escala de comprimentos de onda. Sua pesquisa de metamateriais é a mais semelhante à de David R. Smith, com quem trabalhou nos ressonadores de anel dividido original na UC San Diego, 15 anos atrás. Mas Padilla concentra-se principalmente nas frequências terahertz que ficam entre as microondas e o infravermelho no espectro eletromagnético.

O regime terahertz há muito foi ignorado pela ciência porque não se presta bem à manipulação. Os dispositivos de rádio e micro-ondas que temos ao nosso redor atuam sobre os elétrons. Dispositivos ópticos e infravermelhos funcionam com fótons. Mas, à medida que esses dispositivos tentam manipular fótons ou elétrons em frequências mais distantes de suas zonas de conforto no espectro eletromagnético, eles batem em uma parede e param de se comportar como solicitado. Situada entre as fatias de frequência preferidas de ambas as partículas está a faixa de terahertz.

"Há uma lacuna fundamental, ou pelo menos falta de tecnologia, na faixa de terahertz porque nossa tecnologia existente é baseada nessas duas partículas fundamentais (o elétron e o fóton), "Padilla diz." Você não pode realmente preencher essa lacuna de terahertz por si só, mas você pode encontrar maneiras de contornar isso. "

Padilla diz que se eles podem ser dominados, as ondas terahertz têm qualidades que podem ser úteis. Eles podem penetrar em roupas secas, tornando-os uma boa escolha para rastreamento em aeroportos. Eles também podem fornecer uma largura de banda muito maior para comunicações, embora sua incapacidade de penetrar na umidade do ar provavelmente os confinará a aplicações inter-satélites no espaço, não aplicações ponto a ponto em uma Terra nublada.

Padilla também está trabalhando em metamateriais livres de metal que são projetados para absorver ondas eletromagnéticas em vez de focalizá-las ou emiti-las. Esses materiais podem ser bons para a captação de energia ou detectores que podem fazer a varredura ativamente de vazamentos de metano ou gás natural, monitore a saúde de vastos campos de plantações ou classifique rapidamente os plásticos para reciclagem.

"As câmeras de infravermelho térmico são restritas à faixa de infravermelho, "disse Padilla." Com esses absorvedores de metamateriais, podemos construir câmeras térmicas em outras faixas do espectro onde, de outra forma, seria impossível. "

Captura de luz em estruturas nanoscópicas

O "P" na sigla CMIP significa plasmônica, que é a especialidade de Maiken Mikkelsen, que se juntou a Duke em 2012. Plasmonics usa fenômenos físicos em nanoescala para capturar certas frequências de luz, provocando uma variedade de comportamentos interessantes.

Isso é conseguido moldando cubos de prata com apenas cem nanômetros de largura e colocando-os apenas alguns nanômetros acima de uma fina folha de ouro. Quando a luz incidente atinge a superfície de um nanocubo, excita os elétrons da prata, aprisionando a energia da luz - mas apenas em uma certa frequência.

O tamanho dos nanocubos de prata e sua distância da camada de base de ouro determina essa frequência, enquanto o controle do espaçamento entre as nanopartículas permite ajustar a força da absorção. Adaptando precisamente esses espaçamentos, os pesquisadores podem fazer o sistema absorver ou emitir qualquer frequência de luz que desejarem, desde comprimentos de onda visíveis até o infravermelho.

A capacidade de absorver ou emitir qualquer frequência de luz nesses reinos, adaptando as propriedades estruturais, leva a algumas idéias interessantes para aplicações. Por exemplo, Mikkelsen está trabalhando no desenvolvimento da tecnologia em uma nova maneira de detectar imagens por meio de múltiplos espectros. Esses dispositivos de imagem podem identificar milhares de plantas e minerais, diagnosticar melanomas cancerosos e prever padrões climáticos, simplesmente pelo espectro de luz que refletem.

Este aplicativo tem uma vantagem sobre as tecnologias de imagem atuais que podem alternar entre espectros, porque são caros e volumosos porque requerem vários filtros ou montagens complexas. E a necessidade de movimento mecânico em tais dispositivos reduz sua vida útil esperada e pode ser um risco em condições adversas, como os experimentados por satélites.

“É um desafio criar sensores que possam detectar tanto o espectro visível quanto o infravermelho, "disse Mikkelsen." Tradicionalmente, você precisa de diferentes materiais que absorvem diferentes comprimentos de onda, e isso fica volumoso e caro. Mas com nossa tecnologia, as respostas dos detectores são baseadas em propriedades estruturais que projetamos, e não nas propriedades naturais de um material. O que é realmente empolgante é que podemos emparelhar isso com um esquema fotodetector para combinar imagens no espectro visível e infravermelho em um único chip. "

A técnica também pode ser usada para impressão. Em vez de criar pixels com áreas ajustadas para responder a cores específicas, Mikkelsen e sua equipe criam pixels com três barras consistindo de nanocubos de prata que absorvem três cores:azul, verde e vermelho. Ao controlar os comprimentos relativos de cada barra, eles podem ditar a combinação de cores que o pixel reflete. É uma nova versão do esquema RGB clássico usado pela primeira vez na fotografia em 1861.

Mas, ao contrário da maioria dos outros aplicativos, o esquema de cores plasmônico promete nunca desbotar com o tempo e pode ser reproduzido de forma confiável com grande precisão repetidas vezes. Ele também permite que seus usuários criem esquemas de cores no infravermelho.

"Novamente, a parte interessante é poder imprimir tanto no visível quanto no infravermelho usando os mesmos materiais, "disse Mikkelsen." É bastante notável como as propriedades de uma estrutura podem ser completamente alteradas por pequenas mudanças no arranjo ao usar os mesmos blocos de material. "

Dobrar soa como um holograma

No outro extremo dos comprimentos de onda, bem fora da escala eletromagnética, Steve Cummer, membro do grupo CMIP, tem desenvolvido maneiras de controlar o som com metamateriais.

"Eu fazia parte da equipe da Duke trabalhando na camuflagem com John Pendry e David Smith, e uma pergunta natural que saiu desse trabalho foi, você pode fazer os mesmos tipos de truques para controlar outros tipos de ondas? ", disse Cummer, que é professor de engenharia elétrica e da computação e continua a trabalhar com metamateriais eletromagnéticos também.

"As ondas sonoras eram uma segunda escolha natural para olhar, "Cummer diz." Após seis meses de becos sem saída, Finalmente encontrei uma abordagem que funcionou e mostrou que você pode de fato controlar as ondas sonoras da mesma maneira, se você pode criar as propriedades de material corretas. "

As propriedades corretas do material acabaram sendo a densidade e a rigidez compressional do fluido através do qual o som está se movendo. Cummer descobriu que, como acontece com metamateriais eletromagnéticos, se ele criou estruturas específicas com materiais de outra forma não notáveis, ele podia controlar como as ondas sonoras se moviam.

As estruturas de plástico coloridas que sua equipe faz com impressão 3-D se parecem muito com blocos de Lego que podem ser empilhados e organizados em várias configurações para obter resultados diferentes. O interior dos blocos de plástico contém espirais e outras formas que forçam as ondas sonoras a percorrerem caminhos de comprimentos variados. Os diferentes comprimentos de viagem na estrutura interna de cada bloco desaceleram as partes de uma onda sonora em vários graus, mudar a forma da onda que surge do outro lado de uma série de blocos.

Em um estudo de prova de conceito de 2016, Cummer e sua equipe construíram uma parede de tais blocos cuidadosamente adaptados para esculpir uma onda sonora em um holograma de formato arbitrário, um som modelado. Eles escolheram fazer a forma da letra maiúscula A.

"A maioria das pessoas está familiarizada com hologramas feitos de luz, "disse Cummer." Esse é um truque geral que se pode fazer com todos os tipos de ondas. A chave é como usar uma superfície plana para criar um campo de onda tridimensional. Criamos uma estrutura de metamaterial acústica em que o som que emerge do outro lado é um campo sonoro muito mais complicado. Enquanto fazíamos a onda sonora assumir a forma da letra A, podemos ser capazes de fazer algo como imitar o complicado campo de som produzido por uma orquestra ao vivo a partir de um único alto-falante. "

Outras áreas de aplicação incluem isolamento acústico ou absorção de som, onde estruturas mais compactas poderiam absorver apenas os tons indesejados, deixando o resto inalterado. E se a ideia pudesse ser reduzida a dimensões ultrassônicas, a técnica poderia permitir menor, mais barato, dispositivos de imagem de ultrassom mais eficientes em termos de energia. '

Ondas de experimentação, viajando em todas as direções

Em outro lugar no Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics, as equipes estão trabalhando na transmissão de energia sem fio, imagens de microondas para triagem de segurança, remoção de esteira em navios oceânicos e muito mais. Suas explorações variam de cálculos teóricos a protótipos com potencial comercial.

E o grupo continua crescendo. No verão de 2018, Natalia Litchinitser se juntará ao grupo da University at Buffalo. Também trabalhando no campo da fotônica óptica, Litchinitser está buscando projetos como a criação de uma lente de metamaterial que pode resolver características celulares menores do que o comprimento de onda da luz e tecnologia de camuflagem que funciona enviando luz girando em torno de um longo, objeto fino em vez de ricochetear nele.

"É algo que começou como uma busca muito científica, pesquisa muito fundamental, quase filosófico, "Disse Smith. Mas agora existem empresas de metamateriais emergentes." A jornada tem sido espetacular, "Disse Smith." Começando com 'para que isso serve?' - quem sabe, quem se importa - realmente estranho, ideias malucas, e agora na comercialização real refinada de idéias.