Neviditelnost, antimagnety a fata morgána

Článek mapující základy technologií neviditelnosti za použití metamateriálů se ve vědecké rubrice CIO objevil na počátku roku 2010. Pojďme se podívat, jaké zajímavé možné aplikace byly navrženy a testovány od té doby.

Jak ukrýt magnet

Vědci ze španělské Universitat Autónoma de Barcelona tvrdí, že vyvinuli první antimagnet – materiál odstiňující vnitřní magnetické pole tak, že po něm venku nezůstane žádná stopa. Stejně tak lze zabránit i průsaku vnějšího pole dovnitř. Objev je to ve skutečnosti revoluční, nic takového se u magnetických polí dosud nepodařilo.

Pokud by se výsledky týmu kolem Alvara Sancheze potvrdily, možnosti využití by byly obrovské. Antimagnet by zabránil výbuchu některých typů min (především námořní miny mají být aktivovány změnou magnetického pole), ale stejně tak mohl i oslepovat detektory na letištích. Jako každá technologie by i tato byla určitě zneužitelná.

Velké možnosti se nabízejí ve zdravotnictví. Kardiostimulátory a další přístroje nežádoucím způsobem interagují s magnetickým polem, které se používá třeba při vyšetření magnetickou rezonancí (fMRI). Především by ale u zdravotnických přístrojů odpadla nutnost je proti změnám magnetického pole vůbec testovat – prostě by se příslušným způsobem „ukryly“.

Antimagnetická clona španělských výzkumníků se skládá z několika vrstev. Vnitřní vrstvu představuje supravodivý materiál, který blokuje vnitřní magnetické pole. To by samo o sobě ale detektor neošálilo. Supravodivý materiál totiž současně ovlivňuje (zeslabuje) i vnější magnetické pole. Na další vrstvy se proto použije několik speciálních metamateriálů zkonstruovaných tak, aby vnější magnetické pole ohýbaly podobně, jako optické metamateriály manipulují se světlem.

První prototyp antimagnetu měl podobu válce obklopujícího magnet. Podle vědců existují ale i jiné možnosti a stínící plášť nemusí údajně magnet ani zcela pokrývat. To se může hodit pro zařízení v lidském těle, která by měla umět dále bezdrátově komunikovat, a nechceme je rozhodně neprodyšně oddělit od okolí. Elektronickou součástku tak možná půjde odstínit, a přitom ji dokonce mít dále zapojenou do zdroje energie nebo zadrátovanou s dalšími systémy.

Autoři optimisticky tvrdí, že nasazení antimagnetů by nemělo stát nic v cestě, protože technologie nevyžaduje žádné exotické materiály ani výrobní postupy. Určitým problémem je, že obalových vrstev je hned několik, což výrobu zkomplikuje/prodraží. Ani s miniaturizací si kvůli tomu tento přístup asi příliš rozumět nebude.

Infračervené maskování

Výzkumníci z britské firmy BAE Systems vyvinuli techniku nazvanou Adaptiv, která funguje jako maskovací síť. Funkční je ovšem i v infračervené oblasti světla, v níž pracuje celá řada detektorů (termokamer apod.).

Základ opravdu není nijak sofistikovaný, je jím maskování na principu běžné uniformy. Objekt, který chceme ukrýt, se překryje plachtou napodobující barvy a jejich vzory v okolí. Tato plachtovina je ale protkána sítí elektroniky – podobně jako jsou do textilií zabudovány počítače nošené na těle (wearable computers).

Infračervený detektor umí odlišit umělý objekt od jeho okolí na základě teploty. Nová technologie dokáže ale snímat teplotu kolem ukrytého objektu i její změny. Informace z čidel jsou ihned automaticky uváděny do elektroniky v maskovací síti. Ta obsahuje termoelektrický materiál, který může rychle měnit svoji teplotu, a kopírovat tak okolí (takže např. ukrytá technika pak v noci vychládá stejně rychle jako okolní les).

Různé části sítě lze ovládat nezávisle na sobě. Předmět tedy nemusíme jen totálně skrývat, ale také maskovat jako nějaký jiný tvar, třeba tank za obyčejný automobil.

Problém představují energetická náročnost i komplikovaná konstrukce celého zařízení. Zatím pořádně nedovolují použít techniku pro maskování předmětů v pohybu; v lese lze ukrýt tank, plující loď nebo letící letadlo se tímto pláštěm nyní zahalit nedají.

Dlouhá cesta k Legu

Chen Sung z britské univerzity Northwestern McCormick navrhl metamateriály vytvořené z polymerů na principu mikrostereolitografie. Zajímavé je, že fungují pro terahertzovou oblast (mezi infračervenou a mikrovlnnou). Terahertzové frekvence jsou příliš vysoké pro elektroniku, takže se o ně dosud nikdo moc nezajímal, ale na této úrovni má rezonanční frekvence řada organických látek. Kdybychom dokázali s terahertzovou optikou lépe pracovat, mohlo by to najít uplatnění třeba při odhalování různých nádorů nebo výbušnin. Primárním cílem výzkumů tedy v tomto případě nebyl plášť neviditelnosti, ale naopak dokonalejší detekce.

Vědecký tým z Harvardu, Rice University, University of Texas v Austinu a University of Houston se snaží metamateriály nějakým způsobem standardizovat a sestavovat požadované vlastnosti na požádání jako Lego. Miniaturní skleněné kapky a kuličky potažené zlatem se podle nich dají celkem jednoduše skládat ve 2D i 3D útvary, které mají záporný index lomu pro předdefinované vlnové délky. Kombinací těchto útvarů by pak v principu šlo pokrýt celé spektrum, alespoň kdybychom dokázali objekt dostatečně přesně obalit. Snad – zatímco ostatní zmiňované výzkumy mají totiž již nějaké experimentální výstupy, zde jde v tuto chvíli spíše opravdu jen o ideu.

Dočkáme se fata morgány na objednávku?

Fata morgána běžně vzniká, pokud se objeví stabilní rozhraní mezi vrstvami vzduchu o různé teplotě; obě vrstvy pak mají i různé indexy lomu. Výsledkem je ohyb paprsků na rozhraní, který pak pozorovateli může jakoby před očima zobrazovat vzdálené objekty.

Ali Aliev a jeho kolegové z University of Texas v Dallasu se rozhodli vyvolat tento jev uměle, a to nejen ve vzduchu, ale i v kapalinách. Cílem jejich projektu je mj. neviditelnost objektů pod vodou. Na rozdíl od vesměs „úzkoprofilových“ současných metamateriálů by zde ale změna teploty na rozhraní vrstev měla působit v mnohem širší oblasti spektra.

Elektricky vyhřívané uhlíkové nanotrubičky dokázaly vytvořit ve vzduchu i pod vodou patřičný teplotní rozdíl a ve výsledku promítnout na určité místo vzdálený předmět – a tak pozorovateli zamaskovat vše, co je na tomto místě ve skutečnosti.

Z nanotrubiček se teplo velmi rychle šíří do okolního prostředí. Uhlíkové nanotrubičky navíc nemají velkou tepelnou kapacitu. Lze je tedy rychle zahřát a po vypnutí přívodu proudu se zase rychle ochladí; to znamená, že umělou fatu morgánu lze prakticky okamžitě zhasínat, vypínat, ba možná i modifikovat.

Co jsou to metamateriály

Metamateriály jsou látky, které mají záporný index lomu. Hůl ponořená do metamateriálu by se lámala úplně naopak než ve vodě – směrem k pozorovateli. Paprsky se kolem metamateriálu ohýbají opět „dovnitř“, pozorovatel vidí paprsky ze zdrojů za ním (jako by viděl za ukrytý předmět). Na tomto principu fungují nejen maskovací techniky, ale šlo by ho použít např. i k bezdrátovému nabíjení – viz CIO 11/2011.Metamateriály bývají obvykle běžné prvky a sloučeniny, žádné exotické fáze hmoty. Unikátní vlastnosti jim dodává jejich geometrie/úprava povrchových vlastností. Dosud známé metamateriály takto fungují obvykle jen pro poměrně úzký rozsah spektra (vlnových délek), mimo něj se chovají jako běžné látky. Dosud nebyly publikovány informace o žádném metamateriálu, který by dokázal pokrýt celé viditelné spektrum, a opravdu tak pro lidský zrak předmět dokonale zneviditelnil.