3. Пористые материалы

В предыдущем параграфе было показано, что эффективный способ увеличения удельной поверхности материала состоит в том, чтобы уменьшить размер его зерен. Другой способ увеличения S состоит в том, чтобы ввести в объемный мате­риал мелкие пустоты. Некоторые вещества типа цеолитов, кристаллизуются в структуры с регулярно расположенными полостями, в которых могут находиться атомы или небольшие молекулы. Они могут и вводиться и выводиться из таких пор при изменении условий окружающей среды. Молекулярное сито, которое является подходящим инструментом для того, чтобы отфильтровывать молекулы специфических размеров, обычно имеет управляемый узкий диапазон диаметров пор. Существуют и другие материалы, как, например, силикаты и глиноземы, которые могут быть подготовлены таким образом, чтобы они имели пористую структуру более или менее случайного типа; то есть они могут служить губками на мезоскопическом или микрометровом масштабе. Для таких материалов поры с диаметрами в нанометровом диапазоне весьма обычны

4. Коллоиды

Наноразмерные частицы металлов обычно нерастворимы в неорганических или органических растворителях, но если они получены в коллоидной форме, они могут проявлять большую каталитическую активность. Коллоид — взвесь частиц с размерами от 1 до 1000 нм, то есть большими, чем большинство обычных молекул, но все еще слишком маленькими, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Многие коллоидные частицы могут, однако, быть обнаружены по рассеянию света, как частицы пыли в воздухе. Эти мелкие частицы все время хаотически движутся. Движение является результатом столкновений с молекулами растворителя, которые сами находятся в непрерывном движении.

Способ получения коллоидной взвеси в органических жидкостях состоит в том, чтобы стабилизировать металлическую частицу, используя липофильное поверхностно‑активное вещество (ПАВ) — галид тетраалкиламмония NR₄X, где X — галоген, например хлор (Сl) или бром (Br), a R представляет алкиловую группу С_nН_2n+1. Эта группа является угле­водородным радикалом, образованным удалением атома водорода от концевого атома углерода линейной цепочки, или обычной алкановой молекулы с n, обыч­но лежащим в диапазоне от 6 до 20.

14

Метаматериа́л — материал, природные свойства которого обусловлены не столько природными физ-ми св-ми, сколько периодической микроструктурой создаваемой чел-ом^. Метам-лы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометр-ми формами, которые модифицируют диэлетрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного матерела. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно больших размеров атомы. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет большой выбор свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей.Основы эффекта: Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид: k² − (ω / c)²n² = 0 (1), где k — волновой вектор, ω — частота волны, c — скорость света, n² = εμ — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической ε и магнитной μ восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях. Среды, у которых ε, μ — одновременно отрицательные, называют «левыми».

Метаматериалы – неоднородные среды, состоящие из поляризуемых частиц, расположенных регулярным или хаотическим образом в матрице, которая обеспечивает механическую целостность системы. Отклик метаматериалов на воздействие электромагнитной волны можно представить как отклик однородной среды ( с помощью эффективных проницаемостей), если размеры поляризуемых частиц и расстояния между ними существенно меньше, чем длина волны. Эффективные проницаемости метаматериала могут принимать значения, неосуществимые в природных однородных веществах (например, « левые среды»). Если частицы образуют регулярную решетку, а их размеры и расстояния между ними сравнимы с длиной волны, такие (мета)материалы называют фотонными кристаллами. Отличительной особенностью фотонных кристаллов является наличие чередующихся спектральных полос прозрачности и непропускания. В настоящее время реализованы метаматериалы, обладающие резонансным откликом в оптическом и ИК-диапазонах, в Том числе искусственные магнетики и « левые» среды. Элементами для построения таких метаматериалов служат металлические наночастицы, в которых возбуждаются плазмонные колебания. Практически все наличные структуры оптических метаматериалов представляют собой двумерные объекты (метапленки). Актуальна задача получения активных метаматериалов, то есть структур, в которых осуществляется регенерация потерь вследствие индуцированного излучения. Первые наблюдения фотолюминесценции в гибридной структуре ( квантовая яма– метапленка из металлических наночастиц) продемонстрировали, ее частотную избирательность и потенциальную активность, что позволяет ожидать регенерацию потерь и усиление света при оптической накачке умеренной интенсивности.

Суперлинза: Учёные утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету т.к. оно формируется без затухающих волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением. Но вопрос создания суперлинз на основе левых сред в настоящее время дискутируется, а экспериментальные попытки создания линз продолжаются.

Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами . В оптическом диапазоне суперлинза была реализована. Это была линза не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.

Для создания линзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфраккрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия. В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен -0.6 .

Применение: В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, которые называются метаматериалами. Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.

Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки в определённом диапазоне частот. Так же потенциальное применение в оптике, микроскопии, фотоаппаратах.

Разработки: метаматериал с использованием однослойных углеродных нанотрубок. Гибридный метаматериал продемонстрировал сильные и очень быстрые (менее 600 фс) изменения коэффициента преломления при взаимодействии с излучением. По мнению авторов рассматриваемой работы, подобные материалы могут использоваться для изготовления некоторых компонентов лазеров и наноразмерных схем обработки оптических сигналов.