Metamalzeme ya da metamateryal (metamaterials), doğadaki malzemelerde bulunmayan özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanan yapay malzemelerdir. Metamateryaller genellikle plastik, metal gibi doğal malzemelerle oluşturulan mikroskobik boyutlardaki yapıların tekrarlanan kalıplar olarak birleştirilmesi yoluyla elde edilir. Metamateryaller bu özellikleri titizce tasarlanan bu yapılar sayesinde kazanır. Geometrisi, büyüklüğü ve düzeni, ışık ve sesle doğada görülmeyen bir şekilde etkileşebilir.
Metamalzeme terimi; Yunanca sonra, öte anlamına gelen ve doğada gördüğümüzün ötesinde olanı ifade eden meta kelimesinin ve Latince madde anlamına gelen materia veya İngilizce versiyonuyla material kelimelerinin birleşiminden alırlar. Bunlar normalde doğal olarak elde ettiğimiz malzemelerde bulunmayan özel olarak laboratuvarda ürettiğimiz malzemelerdir. Avrupa Yapay Elektromanyetik Malzemeler ve Metamalzemeler Sanal Enstitüsü tarafından, metamalzeme avantajlı ve olağandışı elektromanyetik özellikler elde etmek için tasarlanmış yapay yapısal elemanların bir düzenlemesi olarak tanımlanır.
Günümüzde metamalzemelerin çok çeşitli uygulama alanları bulunmaktadır. Bunlar; medikal, görüntü işleme, sinyal emilimi, görünmezlik pelerini, sensör, anten vb. Metamalzemeler gösterdiği sıra dışı elektromanyetik özellikler ile malzemelerde kazanç artışı sağlamaktadır.
Metamalzemeler, yapay olarak hazırlanan kompozit malzemelerdir. Elektromagnetik özellikleri içerdiği komponentlerin özelliklerinden önemli derecede farklıdır; komponentlerin (halka, rulu, tel, v.s.) özel yapıları ve düzenlemeleri tarafından belirlenir. Metamalzemeler ayrı bir malzeme sınıfınıdır; çünkü özellikleri, özel bir şekilde düzenlenmiş bileşenlerin yapısına bağlıdır ve bu bileşenlerin özelliklerinden büyük ölçüde farklı olabilir. Bu tür metamalzemeler, örneğin, izotropik bileşenlerden oluşan sentetik dikroik malzemeler şekil anizotropisine neden olur. Geçirgenlik ve magnetik duyarlılığı önemli derecede yüksek metamalzemeler, ve nonlineer etkilerin veriminin, geleneksel malzemelerle kıyasla birçok kat yükseldiği metamalzemeler vardır. Örneğin, dev Raman saçılmanın verimi, uyarılmış Raman saçılmaya göre 106 kat yükelebilir; Ikinci ve üçüncü harmonik nesillerin etkinliği büyüklük sırasına göre artar. Bileşenlerin yapısını kontrol etme olasılığı, özelliklerini tasarımında yeni bir serbestlik derecesi sağlamasına rağmen, gerçek devrim, doğal malzemelerde bulunmayan özelliklere sahip metamalzemelerin yaratılmasıdır; ‘metamalzemeler’ terimi, çoğunlukla bu tür malzemeleri belirtmek için kullanılır. Metamalzemelerin bilinen en iyi sınıfı, elektrik geçirgenlik (pemittivite, dielektrik sabiti) ve magnetik geçirgenliği (permabilite) eşzamanlı negatif olan negatif refraktif indeksli metamalzemeleri içerir. Eşzamanlı negatif permittivite ve geçirgenliğe sahip substansların varlığı (teorik olarak) V.G. Veselago tarafından 1967'de yayımlandı. Yazar tarafından gösterildiği gibi bu maddeler, refraktif indeksin (kırılma indisi) negatif değerleriyle karakterize edilir ve optik özelliklerinin birçoğu geleneksel malzemelerinkinden önemli ölçüde farklıdır. Bu tür özelliklere sahip doğal malzemeler henüz keşfedilmemiştir. 1999'da elektromagnetik dalgaların radyofrekans aralığında negatif kırılma indisine sahip deneysel bir madde oluşturuldu. Günümüzde, optik dalga boylarında negatif kırma indisine sahip metamalzemelerin araştırılması ve geliştirilmesi için büyük gayretler sarfedilmektedir. Optik dalgaboylarında, eşanlı negatif permitivite ve permeabiliteya sahip tüm yapay olarak yaratılmış malzemeler, metal ve dielektrik bileşenler içeren kompozitlerdir.
Metamalzeme Uygulama Örnekleri Nelerdir
Metamalzemeler için potansiyel uygulamalar çok çeşitli ve umut vericidir. Optik filtreleme, tıbbi cihazlar, uzaktan havacılık operasyonları, sensör dedektörleri, güneş enerjisi yönetimi, kalabalık kontrolü, radomlar, anten lensleri ve hatta depreme karşı koruma için kullanılabileceği öngörülmüştür. Metamalzemelerden yapılmış mercekler, geleneksel optik merceklerin daha fazla büyütmesini engelleyen kırınım sınırının altında görüntülemeyi bile sağlayabilir. Gradyan indeksli metamalzemeler bu optik uygulamalara dayalı bir tür görünmezlik bile sağlayabilir. Metamalzeme araştırmaları doğası gereği disiplinler arasıdır. Elektrik mühendisleri, elektromanyetik araştırmacıları, klasik optik bilimcileri, katı hal fizikçileri, mikrodalga mühendisleri, anten mühendisleri, optoelektronik geliştiricileri, tekstil mühendisleri, malzeme bilimcileri, nanoteknoloji araştırmacıları ve yarı iletken mühendisleri dünya çapında metamalzemelerin geliştirilmesi için birlikte çalışmaktadır.
Farklı Dalga Boyları için Mühendislik Metamalzemeleri
Metamalzemeler, üzerinde çalışmak üzere tasarlandıkları farklı dalga boylarına göre sınıflandırılabilir. Farklı dalga boyu boyutları farklı enerji türlerine karşılık gelir, ancak metamalzemelerin çalışma prensibi aynıdır.
Elektromanyetik Metamalzemeler
Elektromanyetik metamalzemeler, elektromanyetik radyasyonun dalga boyundan daha küçük olan yüzey özellikleriyle etkileşime giren elektromanyetik dalgaları etkiler. Elektromanyetik radyasyonun en geniş dalga boyu mikrodalgalardır ve bunlarla çalışmak için tasarlanan metamalzemeler milimetreye varan özelliklere sahiptir. Mikrodalgaları manipüle etmek için uygun endüktif ve kapasitif özelliklere sahip elektriksel olarak iletken elemanların (örneğin tel halkaları) dizileri yapılabilir. Fotonik radyasyon için metamalzemelerin yapısı nanometre ölçeğinde düzenlenmelidir. Kırınım ızgaraları, optik kaplamalar ve dielektrik aynalar gibi frekans seçici yüzeylerin yanı sıra fotonik kristaller de fotonik metamalzemelerle benzerlikler gösterir. Ancak heterojenlikleri nedeniyle genellikle klasik metamalzemelerden farklı kabul edilirler. Plazmonik metamalzemeler, metallerin yüzeyinde birlikte salınan elektrik yükü parselleri olan yüzey plazmonlarını kullanan geliştirilmiştir. Elektromanyetik metamalzemeler, şu anda tanımlanmış en fazla uygulamaya sahip oldukları için üzerinde çalışılan ve geliştirilen ana türdür.
Elastik Metamalzemeler
Elastik metamalzemeler, farklı parametreler kullanarak elektromanyetik olmayan malzemelerde negatif bir kırılma indisi yaratır. Elastik metamalzemeler, sınırlı frekans aralıklarında sıvı veya katı gibi davranabilir ve ses ve sismik enerji yönetiminde yeni uygulamalara olanak sağlayabilir.
Akustik Metamalzemeler
Tıpkı elektromanyetik dalgalar gibi, sonik dalgalar da negatif kırılma sergileyebilir. Bu nedenle, sesin gaz, sıvı veya katı malzemelerden geçişini kontrol etmek, yönlendirmek ve manipüle etmek için akustik metamalzemeler geliştirilmiştir. Elektromanyetik metamalzemelerdeki geçirgenlik ve geçirgenliğe benzer şekilde, kütle modülü ve kütle yoğunluğu ses dalgalarını kontrol etmek için manipüle edilebilir. Bu, metamalzemelerin doğru sonik frekanslar tarafından uyarılan bir rezonans sistemi oluşturmasını sağlar.
Yapısal Metamalzemeler
Projeksiyon mikro stereolitografi, yapısal metamalzemeler üretmek için kafes kirişler ve kirişler gibi mikro kafesler oluşturmak için kullanılır. Bu teknik, aynı düşük yoğunluğa sahip geleneksel aerojelden dört kat daha sert yeni malzemelerin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Ağırlıklarının 160.000 katı ve hatta daha yüksek yüklere dayanabilirler.
Doğrusal Olmayan Metamalzemeler
Doğrusal olmayan ortamlar, gelen dalgalar yön değiştirdikçe özellikleri değişen malzemeler oluşturmak için metamalzemelerin imalatında kullanılabilir. Bu gibi doğrusal olmayan ortamlar, doğrusal olmayan optiklerin geliştirilmesinde çok önemlidir. Bir ortamın metamalzeme etkin dielektrik geçirgenliği yeterince küçükse (epsilon-sıfıra yakın ortam olarak bilinir), dikkate değer doğrusal olmayan optik özellikler sergileyebilirler. Malzemelerin negatif kırılma indisinde yapılan değişiklikler, doğrusal olmayan optik yapılar için faz eşleştirme koşullarını uyarlamak için de kullanılabilir.
Metamalzemelerin Uygulamaları
Metamalzemelerin sentezlenmesi için endüstriyel teknikler henüz standartlaştırılmamış olsa da, bazı potansiyel uygulamaları halihazırda gerçekleştirilmiştir. Örneğin, metamalzeme antenler halihazırda ticari olarak mevcuttur. Metamalzeme antenler alternatif sistemlere göre daha iyi performans göstermektedir. Bir antende metamalzeme kullanmak, antenin biçim faktörünü azaltmaya, yönlülüğünü artırmaya ve ayarlanabilir frekansını genişletmeye yardımcı olur. Metamalzeme kullanan iki veya üç boyutlu optik cihazlar olan süper lenslerin kırınım sınırını aştığı ve teorik olarak görüntüleme uygulamalarında sonsuz çözünürlüğe ulaşabileceği gösterilmiştir. Ayrıca teorik alanda, bazı araştırmacılar metamalzemelerin bilim kurgu benzeri bir "gizleme" veya "görünmezlik" cihazı oluşturmak için kullanılabileceğini göstermiştir, ancak pratik bir gösteri kaydedilmemiştir.
Metamalzeme Örnekleri Nelerdir, Metamalzemeler Nerelerde Kullanılır
Uzay - Savunma Sanayisi
Askeri teknolojilerde görünmezlik ve gizlenme başta olmak üzere önem arz etmektedir.
Elektromanyetik Parazit Koruma (EMI)
Cihazlara bozabilecek, hatta insan sağlığını etkileyecek elektromanyetik sinyallerden korunma sağlayabilir. Gizli sinyal bozucu ve koruma görevlerinde kullanılmaktadır.
Pilotlar İçin Lazer Parlama Koruması
Uçak ve helikopterlerin iniş ve kalkışında, lazer tutan kişiler yüzünden pilotların ne kadar zorlandıklarını biliyoruz. Metamalzeme uygulamalarından biriside bu konuda pilotlara lazer parlama korumasını sağlamasıdır. Şirketler bu tür durumlar için holografik filtre kullanmaktadırlar.
Buz Çözme ya da Buğu Engelleme
Buzlanma ve buğulanmayı önlemek için bir düğmeye dokunarak tam netlik sağlamayı sağlayan şeffaf, hafif, esnek iki boyutlu bir tel ızgara sistemine sahip film tabakası ile gözlükler, camlar, siperlikler için en iyi görmeyi sağlamaktadır.
Güvenlik Kameraları
Güvenlik kameralarına da yine aynı pilotlar için lazer ışığı parlama koruması uygulanabilmektedir.
Otomotiv Sektörü için Metamalzeme Kullanımı;
Buğu Giderme
Buz Çözme
Yansıma Önleyici
Şeffaf Antenler
Bankacılık ve Resmi Kartlar
Banknotların güvenliği, resmi kartların güvenliği için nanoteknoloji kullanılarak, özel renkler, üç boyutlu derinlik ve birkaç özellik ile kalpazanlığa son vermektedir. Bunlara ek olarak şeffaf antenler, arttırılmış gerçeklik uygulamaları gibi yerlerde metamalzemeler kullanılmaktadır.
0 yorum:
Yorum Gönder