Этот почти фантастический материал выглядит, мягко говоря, неказисто. В лист пенопласта толщиной полсантиметра «имплантированы» сотни кусочков металлической спирали (вообще-то, это похоже на мелко нарубленную пружину от шариковой ручки). Особенность материала в том, что он способен избирательно поглощать электромагнитные волны определенной длины. Казалось бы — ну слава богу. Теперь заживем… На самом деле, все несколько увлекательней. Гомельские физики — издалека, не торопясь — нащупывают параметры невидимости.
Недавно про эту разработку ученых Гомельского государственного университета имени Ф. Скорины и коллег из университетов Финляндии и Японии сообщили все международные научные издания, которые обязаны информировать о значимых событиях в мире физики. Из довольно специального текста и схем, в общем, следует: материал научили поглощать волны дециметрового диапазона, тогда как другие лучи он пропускает, ничего при этом не отражая. Для наглядности гомельчане изобразили процесс на примере лучей видимого спектра.
Вообще-то, поглощать электромагнитное излучение — дело нехитрое. Черный цвет давно умеет это делать (в видимом диапазоне). Каждый помнит со школы. Почему же так возбуждены ученые?
Пытаясь понять, что, собственно, происходит (а главное — зачем), мы отправились в научно-исследовательскую лабораторию «Физика волновых процессов» ГГУ им. Ф. Скорины. Именно там созданы два прототипа с несколько различающимися свойствами.
Внешне все выглядит слишком просто. Технически это тонкий лист пенопласта размером метр на метр. Такие продаются в хозяйственных магазинах. Пенопласт — только основа. Весь фокус — во множестве спиралек из нихрома, которыми он нашпигован. Все строго определенного размера и особым образом ориентированы друг относительно друга. «Бабочка», «цветок», «клевер» — так ученые обозначают их расположение.
Короткого и простого названия у разработки не имеется. В англоязычных источниках она называется «Broadband Reflectionless Metasheets: Frequency-Selective Transmission and Perfect Absorption». Если попытаться перевести — «Широкополосные неотражающие метаэкраны: частотноизбирательная передача и полное поглощение». В общем, лучше не пытаться, пусть остается как есть.
Опыты ставят со спиралями двух видов. Количество витков, их направление и диаметр, толщина проволоки играют роль.
— Ну допустим, прошел луч насквозь, — я изо всех сил пытаюсь представить, что будет, если таким листом закрыть некий объект. — Но потом он же все равно отразится от предмета, который находится за экраном, и вернется к наблюдателю. И какой в этом смысл?
— Поглощенный луч не вернется — он не дойдет до вашего предмета и ни от чего не отразится. Иными словами, на дисплее условного радара будет пустота, как если бы вы направили его в небо, — терпеливо объясняет проректор университета, профессор Игорь Семченко. — Сквозь экран пройдет только то, что нам нужно. Но проницаемость сама по себе — не очень большая новость. Воздух, вон, тоже невидим. Или стекло. Также существуют и другие материалы, способные избирательно поглощать отдельные длины волн. Но только наш, во-первых, поглощает волны заданной длины, причем в обоих направлениях, а во-вторых — прозрачен в других диапазонах, не отбрасывает «тени».
«Экран», созданный в Гомеле, относится к метаматериалам. Согласно одной из упрощенных формулировок, термин этот означает, что свойства искусственного материала выходят за рамки свойств компонентов. В данном случае компоненты — металл да полимерная пластина.
В команде исследователей как опытные ученые советской школы, так и молодые аспиранты. В том числе, кроме гомельчан, представители финского университета Аалто и японского Шизуока. Вообще-то, они тоже из Гомеля, но работают теперь и там, и здесь.
— Мы немного обгоняем Болонский процесс, — с улыбкой уточняет Семченко. — Многие наши выпускники давно занимаются исследованиями в университетах по всему миру.
— Для спиралей выбрали сплав хрома и никеля. Он обладает низкой проводимостью, по свойствам напоминает вольфрамовую нить накаливания в лампочках, — аспирант Игорь Фаняев старается говорить доступным языком. — Нашей задачей было добиться, чтобы метаматериал вступал в резонанс с электромагнитным излучением определенной частоты.
Игорь — как раз представитель японских научных кругов. Выходец из ГГУ, сейчас трудится в университете Шизуока. В Беларусь приехал на несколько дней.
Геометрия и расположение спиралей просчитаны так, что они одинаково реагируют на электрическое и магнитное поля, поглощая волну длиной в дециметр и пропуская остальные.
— Вообще-то, СВЧ-волны поглощает и вода, на этом принципе работают микроволновки, — уточняет профессор. — Существуют и другие поглощающие материалы. Возникает вопрос: а зачем тогда мы все это городим? Да затем, что наш материал абсолютно прозрачен для других волн, он не создает электромагнитной «тени» вне выбранного диапазона.
— Если волна проходит насквозь, то она, по определению, не должна производить никакого воздействия на экран, — упрощает теорию Фаняев. — Другое дело — поглощенный луч. Разумеется, он не может исчезнуть бесследно.
В данном случае энергия преобразуется в тепло. В некотором смысле пенопластовая пластина под дециметровыми волнами начинает вести себя как черная поверхность под инфракрасными лучами — нагреваться. Этот эффект можно использовать по-разному, например в солнечных батареях. В то же время избирательная электромагнитная прозрачность чрезвычайно ценна в антенных технологиях, может найти применение и в других областях электроники и электротехники.
Безусловно, способность вырабатывать электричество, перспективы антенной техники и прочие нужды народного хозяйства чрезвычайно интересны обывателю. Он готов слушать об этом часами. Потом. Но сейчас ему позарез нужна невидимость! Хотя бы как у пресловутого Хищника в одноименном фильме. А в идеале — «чтоб гаишный радар не реагировал».
Теоретически последнее уже возможно. Достаточно узнать частоту детектора скорости, подобрать нужный размер спиралек, внедрить их в пенопласт и облепить машину этими листами. Точно не заметят.
Если серьезно, то гомельские физики не скрывают, что их разработка может быть применена в стелс-технологиях. Пока это направление военного искусства развивается в мире скорее за счет геометрии самолетов и кораблей. Сегодня основной способ остаться невидимым — это отразить сигнал вражеского радара так, чтобы он не вернулся к приемнику. Но современные РЛС таким способом обмануть сложно, военные не устают заявлять, что видят противника насквозь. Добиться же эффективного поглощения электромагнитных волн в дециметровом диапазоне (именно он применяется в радиолокации) невозможно.
То есть было невозможно — пока в Гомеле не появились эти невзрачные пенопластовые штуки. На самом деле, у этих разработок может быть весьма интересное продолжение.
— Пока нам удалось создать материал для конкретной частоты, — говорит Игорь Семченко. — Несмотря на то что он однослойный и достаточно тонкий, излучение поглощается полностью. Но тут ведь важна сама идея. Возможно, если вместо нихрома использовать другой сплав, изменить геометрию, сделать несколько слоев с разными параметрами, то мы сможем иметь дело с другими частотами! Да, встает вопрос технологии, как это изготовить. Но главное — мы уже знаем принцип, есть расчеты, которые подтверждены опытами.
— Я правильно понял, что, теоретически, если долго экспериментировать с размерами спиралей, то можно добиться и оптической невидимости? Ведь принцип вам теперь известен…
— Теоретически — да. Мы знаем как. Осталось договориться с инженерами и технологами. Как известно, длина волны видимого света в миллионы раз меньше, чем у тех волн, с которыми мы работаем сейчас. Что ж, геометрия наших «бабочек» и «цветков» будет подобной. Просто надо пропорционально уменьшить их размеры. Тогда можно будет говорить о реальной невидимости материала.
Вообще-то, по этой части возникнет много вопросов и взаимоисключающих задач. Ясно, что невидимость материала не обеспечит невидимости того, что за ним. В то же время не забываем, что, в отличие от, например, прозрачного стекла, речь идет о поглощении волн. Кроме того, как говорили физики, ничто не мешает им создавать многослойные, не отбрасывающие «тень» структуры, комбинируя прозрачность и поглощение волн в разных диапазонах.
И все же очень гипотетическая невидимость не является целью ученых. Это так, скорее занятный побочный эффект. Коллектив физиков из Гомеля, Хельсинки и города Шизуока решает, возможно, менее эффектные, но более близкие к жизни задачи. «Играют» с параметрами спиралек в СВЧ-диапазоне, подгоняют их под терагерцовые, инфракрасные волны, ловят резонанс. А там, опять же, и до видимого спектра рукой подать.
Публикация в главном профессиональном журнале Physical Review X и других специальных изданиях закрепила за коллективом первенство в этих исследованиях. Сегодня в открытом доступе находятся все параметры разработки — размеры и форма спиралей, как их надо расположить, какой эффект возникает при облучении.
— В Беларуси сохранилась очень хорошая советская школа физиков и математиков, традиция наукоемких теоретических исследований, — говорит проректор ГГУ им. Ф. Скорины. — В то же время мы сотрудничаем с иностранными университетами, получая доступ к их оборудованию, литературе. Это позволяет готовить молодых исследователей — пусть даже сейчас они работают и учатся не в Беларуси. Все равно они принесут нам пользу, это наши люди, где бы ни находились.
Вопрос о конкретном применении этих знаний открыт. Не исключено, что из юго-восточных стран уже скоро поступят первые гражданские разработки в самых неожиданных областях.
Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by