Metamaterijali budućnosti nastaju od potpuno neočekivanih sirovina

Svemoćna umjetna inteligencija (UI, engl. AI) otvorila je vrata razvoju novih metamaterijala, umjetno stvorenih sintetičkih strukturnih materijala, kao i revolucionarnim promjenama u optici, zdravstvu, akustici, energetskim sustavima, vojnoj industriji...

Inovacije trebaju nove i moćne materijale koji mogu ciljano kontrolirati elektromagnetska, mehanička i toplinska svojstva tvari – rješenje je u metamaterijalima, koje odlikuju neobična elektromagnetska, akustička ili mehanička svojstva koja ne postoje u prirodnim materijalima.

Uopće nije važan njihov kemijski sastav, nego mikroskopska ili nanoskopska struktura. Osmišljeni su tako da manipuliraju elektromagnetskim valovima (svjetlošću, radiovalovima i mikrovalovima) na neuobičajene načine i isplativiji su od prirodnih materijala koji zahtijevaju tradicionalnu obradu, što oduzima mnogo vremena i resursa. Umjetna inteligencija optimira potencijal metamaterijala i može koristiti u istraživanju različitih područja njihove primjene, rješavanju teškoća u proizvodnji zbog nedostatka materijala te omogućiti razvoj novih metamaterijala, što se ne može postići tradicionalnim metodama.

Važnija nutrina

Ipak, nije umjetna inteligencija izmislila metamaterijale. Njihov je tvorac fizičar John Pendry, profesor na Imperial Collegeu u Londonu. On je 1999. teorijski predložio strukture koje mogu imati negativni indeks loma, što nije odlika prirodnih materijala. Osmislio je metamaterijale, koncept za inženjerske strukture čija elektromagnetska svojstva ovise o njihovoj unutarnjoj strukturi, a ne o kemijskom sastavu.

Fizičar John Pendry, profesor na londonskome Imperial Collegeu, prije 26 godina predložio je teorijske strukture koje mogu imati negativni indeks loma, što nije odlika prirodnih materijala. Postojanje tih metamaterijala dokazao je 2000. godine s američkim znanstvenicima Davidom Smithom i Sheldonom Schultzom

Otkrio je da savršena leća izrađena od negativno refrakcijskog materijala može zaobići Abbeovo difrakcijsko ograničenje prostorne rezolucije, koje postoji više od stoljeća. Pendryjeva teorija pokazuje kako se može usmjeriti linije polja oko zadane prepreke i tako osigurati plašt nevidljivosti. S američkim znanstvenicima Davidom Smithom i Sheldonom Schultzom sa Sveučilišta u Kaliforniji 2000. godine dokazao je postojanje metamaterijala s negativnim indeksom loma koristeći se mikrovalnim frekvencijama.

Otad se upotrebljava i termin 'metamaterijal', čiji naziv potječe iz grčkoga jezika – riječ meta što znači 'izvan' ili 'iza' i njome se opisuje materijal s natprirodnim svojstvima. Pendryjeve metamaterijale odlikuju negativni indeks loma, nevidljivost i apsorpcija elektromagnetskih valova, što znači da mogu odbijati svjetlost drukčije od prirodnih materijala, prikriti objekte usmjeravanjem svjetlosti oko njih te se upotrebljavati u antenama, radarima ili za zaštitu od elektromagnetskog zračenja. Zbog toga metamaterijali imaju velik potencijal za primjenu u mnogim područjima, počevši od optike, telekomunikacija, medicinskih uređaja do obrambene tehnologije.

Šuplje, čvršće, rešetkasto

Oblikovanje metamaterijala temelji se na geometriji metastruktura manjih od valne duljine elektromagnetskog vala koji se namjerava kontrolirati. Te strukture mogu biti spiralne, prstenaste, rešetkaste… Pritom se upotrebljavaju računalne simulacije kako bi se predvidjelo ponašanje valova unutar materijala. Metamaterijali izrađuju se najčešće od metala poput bakra, srebra i zlata te dielektrika, odnosno izolatora, materijala koji ne provode struju. No važan je oblik i raspored metastruktura, a ne materijal od kojega nastaje metamaterijal.

Znanstvenici sa Sveučilišta RMIT u Melbourneu razvili su novi metamaterijal trodimenzionalnim ispisom legure titanijeve slitine. Jedinstvene je rešetkaste strukture, pedeset posto čvršće od legura slične gustoće koje se danas rabe u zrakoplovnoj industriji.

– Osmislili smo šuplju, cjevastu i rešetkastu strukturu unutar koje se proteže tanka vrpca, što nikada nije viđeno u prirodi. Spajanjem dviju komplementarnih struktura za jednoliku raspodjelu naprezanja izbjegavamo slabe točke na kojima se unutarnji stres materijala inače koncentrira – izjavio je voditelj projekta, profesor Ma Qian​.

3D ispisom legure titanijeve slitine znanstvenici sa Sveučilišta RMIT u Melbourneu razvili su jedinstvene rešetkaste strukture, 50 posto čvršće od legura slične gustoće, koje se danas rabe u zrakoplovnoj industriji

Australski znanstvenici taj su metamaterijal najprije dizajnirali na računalu, a zatim ga izradili 3D ispisom, pri čemu su slojeve metalnog praha spojili laserom. Taj je metamaterijal otporan na temperature do 350 Celzijevih stupnjeva. Njegovi izumitelji u tekstu objavljenom u časopisu Advenced Materials tvrde da bi se otpornost mogla podignuti i do 600 ​Celzijevih stupnjeva korištenjem titanijevih legura otpornijih na visoke temperature.

Preskakanje ograničenja

Pri proizvodnji metamaterijala primjenjuju se različite tehnologije, što ovisi o veličini strukture: litografija za nanostrukture i mikroskopske strukture, 3D ispis za veće metamaterijale, primjerice za zvučne valove, tiskanje i ugradnja slojeva za složene višeslojne strukture te sastavljanje ako su posrijedi višeslojni materijali, nanošenjem slojeva jedan na drugi, svakoga s različitim svojstvima.

Primjerice, za elektromagnetske metamaterijale koji rade s mikrovalovima često se upotrebljava mreža metalnih prstenova i žica postavljenih u uzorak koji manipulira elektromagnetskim valovima. Te strukture manje su od valne duljine mikrovalova, zbog čega valovi 'vide' materijal kao homogenu tvar neobičnih svojstava poput negativnog indeksa loma.

Pri prozivodnji metamaterijala primjenjuju se različite tehnologije: litografija za nanostrukture i mikroskopske strukture, 3D ispis za veće metamaterijale, primjerice za zvučne valove, tiskanje i ugradnja slojeva za složene višeslojne strukture te sastavljanje, ako je riječ o višeslojnim materijalima, nanošenjem slojeva jedan na drugi, svakoga s različitim svojstvima

Metamaterijali posljednjih su godina privukli pozornost zbog velikog potencijala jer nude obećavajuće rješenje za prevladavanje ograničenja klasičnih materijala. Primjerice, zdravstvo može imati velike koristi od rješenja temeljenih na umjetnoj inteligenciji jer takav dizajn može olakšati interpretaciju podataka ili razvoj novih tehnologija u medicinskom snimanju, isporuci lijekova i personaliziranoj medicini, što povećava dostupnost, pristupačnost i učinkovitost zdravstvene zaštite.

Optika može omogućiti proboje u računalnoj snazi ​poput kvantnih računala, komunikacije, proizvodnje solarne energije i medicinske dijagnostike, otvarajući put za osmišljavanje sustava, informacije i analizu podataka.

Metamaterijali posljednjih su godina privukli pozornost zbog velikog potencijala jer nude obećavajuće rješenje za prevladavanje ograničenja klasičnih materijala

Neviđene inovacije

Trenutačna kriza energetske sigurnosti, očuvanja okoliša i industrijske otpornosti može se transformirati potaknuta metamaterijalima omogućenima umjetnom inteligencijom i tehnologijama pametnih mreža. Primjerice, prijenos i prikupljanje energije decentralizira proizvodnju energije, optimira mrežu i integrira obnovljive izvore energije, što rješava energetske izazove i istodobno potiče gospodarski rast te čuva okoliš.

Akustika ima ključnu ulogu u komunikaciji, medicinskim tretmanima i održivosti okoliša. Iskorištavanjem tih područja i njihovih odnosa istraživači se mogu nositi s višestrukim izazovima i zahtjevima sve veće populacije te ograničenih resursa u svijetu. Također, suradnja između umjetne inteligencije i metamaterijala ubrzava dizajniranje metamaterijala i otvara mogućnosti za nove inovacije.

Zdravstvo može imati velike koristi od rješenja temeljenih na umjetnoj inteligenciji jer takav dizajn može olakšati interpretaciju podataka ili razvoj novih tehnologija u medicinskom snimanju, isporuku lijekova i personaliziranu medicinu, što povećava dostupnost, pristupačnost i učinkovitost zdravstvene zaštite

Modulacija elektromagnetskih valova ključna je za znanstvena istraživanja i industrijsku primjenu, uključujući obradu informacija, telekomunikacije, vojnu industriju i sustave za snimanje. Tradicionalni uređaji poput leća i deflektora kontroliraju elektromagnetske valove, ali zahtijevaju velike površine i složene oblike zbog ograničenih mogućnosti dielektrične konstante.

Tijekom posljednja dva desetljeća istraživači su proučavali složenije strukture te integrirali nekonvencionalne materijale i jedinstvene karakteristike raspršenja. Primjerice, umjetni elektromagnetski metamaterijali riješili su izazove s kojima se suočavaju tradicionalni uređaji koji mogu postići umjetno namjestive elektromagnetske odzive.

No dizajn metamaterijala velik je izazov, posebice zbog složenih interakcija između strukture i elektromagnetskih svojstava. Jedinice metamaterijala simuliraju se pod periodičnim graničnim uvjetima, a zatim se kombiniraju kako bi se formirali sustavi velike površine. Taj proces oduzima mnogo vremena i često ne uspijeva postići idealne elektromagnetske odzive zbog međusobnih pogrešaka u sprezi atoma.

Što fali dizajnu

Naprednom dizajnu nedostaju jednostavni funkcionalni odnosi ili kvalitativni postupci, zbog čega je glavna zapreka za daljnji razvoj. No od 2020-ih broj objavljenih radova o umjetnoj inteligenciji i umjetnim metamaterijalima naglo je porastao, što pokazuje velik istraživački interes potaknut tehnološkim napretkom i zahtjevima primjene, a korištenje umjetne inteligencije u istraživanjima znatno je unaprijedilo dizajn umjetnih elektromagnetskih metamaterijala.

Metamaterijali u optici mogu omogućiti proboje u računalnoj snazi poput jačanja kvantnih računala, komunikacije, proizvodnje solarne energije i medicinske dijagnostike, otvarajući put za osmišljavanje sustava, informacije i analizu podataka

Početkom 90-ih godina 20. stoljeća istraživači su se koristili Hopfieldovim neuronskim mrežama za usklađivanje impedancije mikrovalova istaknuvši potencijal neuronskih mreža u rješavanju elektromagnetskih problema. Tijekom vremena duboko povezane mreže počele su simulirati složenije elemente mikrovalnih krugova poput heterospojnih bipolarnih tranzistorskih pojačala, koplanarne komponente valovoda i skupljene trodimenzionalne integrirane komponente.

U posljednjem desetljeću duboke neuronske mreže primijenjene su na mikrovalnu tehnologiju, uključujući frekvencijski selektivne metamaterijale. Te tehnologije mogu postići složene funkcije i imaju potencijalnu primjenu u fotonskim sustavima. Očekuje se da će integracija umjetne inteligencije i metamaterijala rezultirati još boljim tehnološkim inovacijama, pokrenuti nova znanstvena istraživanja te pružiti učinkovita rješenja za globalne izazove.