المواد metamaterials هي مواد مركبة اصطناعية تتكون من ما لا يقل عن مواد مختلفة. لديهم عدد كبير من الهياكل المادية الصغيرة التي يتم ترتيبها لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد. يُعرف كل من هذه الهياكل الفردية باسم “meta-atom” ويمتلك خصائص غير موجودة في المواد الطبيعية ، بما في ذلك القدرة على التحكم في الموجات الكهرومغناطيسية.
عادة ما يكون الانحناء من الموجات الكهرومغناطيسية في اتجاه إيجابي بالنسبة لاتجاه الإصابة. هذا هو المعروف كمؤشر الانكسار الإيجابي. الميزة الرئيسية للمادة metamaterial ، هي أن لديهم مؤشر الانكسار السلبي. تكون الظهر الفوقية أصغر من الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية ، لذلك فهي تسبب الانحناء السلبي لأي موجات كهرومغناطيسية تمر عبرها. هذا فريد من نوعه للمادة.
تصنيف المواد metamaterials
عادة ما يتم تصنيف المواد metamaterials إلى نوعين. الأول هو المواد metamaterials الموجة التي تتحكم في انتشار الموجة والثاني هو المواد metamaterials الانتشار التي تتحكم في عمليات الانتشار (الشكل 1).
الشكل 1: التمثيل الرسومي لأنواع مختلفة من المواد الفنية [Source: YongAn Huang]
يمكن أن تتحكم المواد الفنية في الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة – مثل موجات الصوت أو الضوء – عبر مجموعة من التطبيقات. من المعروف أن المواد الفوقية لها مجموعة من الخصائص ، بما في ذلك القدرة على التحكم في اتجاه الإشعاع الكهرومغناطيسي. لديهم خصائص فريدة من نوعها ، مثل مؤشر الانكسار السلبي ، ولكن أيضا الرؤوس الكهرومغناطيسية والترميز السلبي وخصائص النفاذية.
المواد المماثلة في الأجهزة الإلكترونية
يمكن أن تجلب المواد الفوقية الحرارية الكثير من الفوائد للتصميم الإلكتروني. يمكن تلف المكونات الإلكترونية بسهولة بسبب الحرارة الشديدة وظهور الإلكترونيات النانوية ، والدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد والإلكترونيات المرنة تجعل الإدارة الحرارية صعبة في هذه الهياكل المعقدة.
يمكن استخدامها لتحسين التبديد الحراري ، وتوفير التدريع الحراري وتقليل الحديث الحراري في الأجهزة الإلكترونية ، وكذلك تعكس الضوء ومنع ارتفاع درجة حرارة الجهاز من المصادر الخارجية – مفيدة للفضاء والأقمار الصناعية وتقنيات الفضاء التي تتعرض لموجات كهرومغناطيسية أقوى.
كما يتم استخدام المواد الفوقية الحرارية في الأجهزة الحرارية كهرومض الكهروضوئية لتحويل طاقة حرارة النفايات (موجات الأشعة تحت الحمراء) المنبعثة من المركبات والمعدات إلى الكهرباء.
يقول البروفيسور Jiping Huang ، قسم الفيزياء ، جامعة فودان ، “هناك ثلاثة مجالات تطبيقات رئيسية للمواد الفنية الحرارية”. (انظر الشكل 2.)
الشكل 2: تصوير جهاز مُحوِّن حراري مبني على المادة metamaterial الحرارية [Source: Jiping Huang]
يقول Jiping Huang أن هناك العديد من المجالات التي يمكن أن تستفيد من المواد الحرارية ، مثل “أنظمة تحويل الطاقة ، وأنظمة الإدارة الحرارية للسيارات ، وتوليد الطاقة الحرارية الشمسية ، وهناك بحث في استخدام المواد الفنية الحرارية في أجهزة الاستشعار الحرارية والثنائيات وعزل الطاقة الصفرية”.
يعتمد تصميم المواد الفوقية الحرارية اعتمادًا كبيرًا على علم الحرارة (المجال الفرعي للفيزياء التي هي الدراسة العلمية للحرارة). يقول Jiping Huang: “يتم اشتقاق الخواص الفريدة للمواد الفنية الحرارية من علم التحول التقليدي والاعتماد على الهياكل المعقدة وخصائص المواد متباينة الخواص.”
هذا هو السبب في أن خصائص المواد الفنية فريدة من نوعها ، لأن المواد الطبيعية تميل إلى أن تكون متجانسة ومتناسقة.
تصميم المواد metamaterials الحرارية ، ومع ذلك ، ليس واضحا. يلاحظ Jiping Huang أيضًا أن “تقنيات التصنيع التقليدية للأجهزة الحرارية غالبًا ما ترتبط بالهندسة المحددة والهياكل ذات الطبقات ، والتي تحد من مرونتها في تصنيع الأشكال المعقدة أو غير المنتظمة ، مثل المواد الفنية”.
يمضي Jiping Huang إلى القول إن “التحسين العددي والتعلم العميق والطوبولوجي قد عززت أداء الأجهزة المماثلة الحرارية والقدرة على التكيف ، في حين أن نظرية التحول المطابقة تقلل من القيود الهندسية في تصميم المواد المماثلة”.
هناك بالفعل أنظمة metamaterial تجارية قيد الاستخدام ، لكن Jiping Huang يعتقد أن “التصميم المستقبلي للمواد المماثلة الحرارية من المتوقع أن يصبح أكثر ذكاءً وأكثر كفاءة. مع التقدم السريع للتقنيات مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم العميق ، ستصبح عملية التصميم تلقائيًا بشكل متزايد وتتمكن من خلق التصميمات غير المحلية التي يمكن أن تكون قادرة على دمج العديد من الوظائف الحرارية.
“هذا بالإضافة إلى المواد المتعددة الحرارية التي يتم دمجها مع أنواع أخرى من المواد المماثلة حيث تتيح كل مادة متعددة الوظائف.”
يُعتقد أن المواد الفوقية الحرارية سيتم استخدامها قريبًا عبر الإلكترونيات والطاقة والرعاية الصحية حيث يتسارع تصنيع إنتاج المادة المماثلة.
المواد الصوتية الصوتية
تستخدم المواد الصوتية الصوتية بلورات صوتية للتحكم في موجات الصوت والتلاعب بها (الفونونات). تتميز المواد الصوتية الصوتية بكتلة متباينة الخواص وكثافة سلبية وتستخدم لتخميد الاهتزاز ، والتصوير ، والموجات فوق الصوتية الطبية ، والتقنيات المضادة للابنار ونقل الطاقة اللاسلكية. تعد الفونونات مسؤولة أيضًا عن التوصيل الحراري في المواد الصلبة ، لذلك يمكن تصميم المواد الصوتية الصوتية للتحكم في نقل الحرارة في الأنظمة الإلكترونية.
الشكل 3: مجالات التطبيق المختلفة للمادة المتعددة المرنة التي تبين مسارات التطبيق المختلفة الممكنة [Source:YongAn Huang]
توفر المواد الصوتية الصوتية النشطة درجة من التحكم في موجات الصوت التي تتجاوز قدرات الأجهزة السلبية ويمكن إعادة تكوينها ديناميكيًا ويمكن تعويض أي خسارة في شدة الموجة.
هناك تطبيقات تقع خارج نطاق تصميم الإلكترونيات ، ولكن يمكن تصميم المواد الصوتية الصوتية لفخ أو نقل ترددات محددة من الموجات الصوتية. يمكن أن يساعد استخدام المواد المماثلة بهذه الطريقة في تصميم مرافق صوتية أكثر تقدماً لمجموعة من التقنيات – مثل الآلات الموسيقية والتصوير الطبي المتقدم. يمكن أن تتحكم المواد الصوتية الصوتية بدقة في تشوه الحقول الصوتية ويتم استخدامها لإخفاء أو عباءة الكائنات من الموجات الصوتية.
المواد الكهرومغناطيسية
يمكن أن تتحكم المواد الفنية في نطاق من الموجات الكهرومغناطيسية عبر الطيف الكهرومغناطيسي في جهاز واحد ، مما يتيح أن تصبح المواد metamaterials قابلة للبرمجة. يمكن لكل من الأورام الوصفية معالجة الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة لبناء جهاز يحتوي على وظائف كهرومغناطيسية متعددة. يمكن لكل meta-atom التحكم في طول موجي معين ويمكن التحكم في الوظائف باستخدام برنامج متقدم.
في التنمية
يجري تطوير المواد المتعددة القابلة للبرمجة والتي يمكن أن تتكيف بشكل مستقل مع بيئتها والتواصل مع المواد الفنية الأخرى في نظام لبناء أجهزة متقدمة يمكن أن توفر وظائف الاستشعار أو التصوير أو الاتصالات. بعض الأمثلة على التطبيقات تشمل التصوير الطبي والاتصالات اللاسلكية.
هناك طرق مختلفة لتطوير مواد مضادة قابلة للبرمجة ، ولكن أحد المقاربات الشائعة هو بناء أنظمة تحاكي FPGAs. يتمثل التحدي في المواد المتعددة القابلة للبرمجة إلى إنشاء جهاز له معدل تحديث يمكن أن يغير خصائص المواد المماثلة في الوقت الفعلي في بيئات التردد العالية – مثل موجات THZ. تختلف معدلات التحديث بين التطبيقات ، ولكن عادة في نطاقات KHz إلى MHz.
هل المستقبل مرن؟
مع أن تصبح الأجهزة الإلكترونية المرنة والأصغر أكثر شيوعًا ، فإن التصميمات المماثلة يجب أيضًا أن تنحني وتمتد ولف لاستخدامها في الجيل التالي من الأجهزة. يتم تحقيق ذلك من خلال دمج المواد المماثلة على ركائز مرنة مثل بوليمرات الطاقة السطحية المنخفضة.
يؤدي إدخال المرونة في تصميم المادة المماثلة أيضًا إلى فتح الباب لتصنيع مواد مضادة شفافة لأجهزة الاستشعار عن بُعد والتصوير وأجهزة الرنين البصري.
بروفيسور يونغان هوانغ ، نائب المدير للمختبر الرئيسي للولاية لمعدات التصنيع الذكية والتكنولوجيا ، جامعة هوازهونغ للعلوم والتكنولوجيا ، الإلكترونيات الأسبوعية أنه “يمكن استخدام المواد المتعددة المرنة لتعزيز الإلكترونيات المرنة الحالية المستخدمة في الإلكترونيات القابلة للارتداء ، والالكترونيات البشرة ، والإلكترونيات القابلة للزرع ، والروبوتات الناعمة ، والجلود الذكية للطائرات. لقد أصبح من الصعب بشكل متزايد تحسين الإلكترونيات المرنة مع الاستراتيجيات التقليدية ، ولكن الأسلوب المسلحة تحطم أرضية جديدة.”
ينص Yongan Huang أيضًا على أن هناك العديد من أنواع المواد المتعددة المرنة التي يمكن تصنيعها بناءً على تصنيفات المواد المتعددة السائبة ، بما في ذلك “المواد الميكانيكية الميكانيكية المرنة ، والمواد البصرية المرنة ، والمادة الصوتية المرنة ، مع استخدامها ، مع الاستخدامات المثيرة للاهتمام مثل التقييمات الصوتية.
كانت هناك العديد من اعتبارات التصميم لتطوير المواد المتعددة المرنة التي تدور حول التصميم الإرشادي (استنادًا إلى الخبرة السابقة) والتصميم العقلاني (بناءً على الخصائص المستهدفة في الاعتبار). على التصميم الإرشادي ، يقول يونغان هوانغ: “لقد ثبت أن التوضيح الحيوي قوي وفعال لتطوير مواد مضادة جديدة”. تدور التصميم العقلاني حول تحسين الطوبولوجيا و “تحسين الطوبولوجيا يحسن تخطيط الهيكل ضمن مساحة تصميم معينة ، ويستخدم في الغالب على مستوى مفهوم عملية التصميم. ومن المتوقع أن يكون النهج الهجين لأساليب التصميم العقلاني مع تقنيات التصميم بمساعدة الكمبيوتر بمثابة نهج واعد.”
نضوج المواد metamaterials المرنة ليست مثبتة مثل المواد metamaterials بالجملة. يخبر Yongan Huang Electronics Weekly أن “العديد من الوظائف والنماذج الأولية للأجهزة في هذا المجال لا تزال أولية للغاية وتقتصر في الغالب على الأبحاث المختبرية ، أو في بعض الأحيان فقط للأداء النظري في ظل افتراضات مثالية دون النظر في التطبيقات الحقيقية. قد تتيح التقنيات من أسفل إلى أعلى إلى الأمان الأصغر حجماً. “
على الرغم من أن هذا المجال لا يزال جديدًا نسبيًا ، إلا أن Yongan Huang يخلص إلى أنه “إذا استمر اتجاه النمو الحالي في أبحاث التصميم/تكامل الأجهزة المرن ، فإننا نعتقد أنه ليس من المعقول أن يشهد هذا المجال ، على ما يقرب من الانفصال عن المصلحة الصناعية.
ملف حقيقة
* يتم تطوير المواد المتعددة لمجموعة من الصناعات ، من الصناعات الطبية إلى السيارات والفضاء.
* الاستخدامات تشمل أجهزة الاستشعار الحيوية للهوائيات ، وحصاد الطاقة ، والمرشحات البصرية ، وأجهزة إدارة الطاقة الذكية ، وأجهزة المراقبة عن بُعد ، وإدارة الطاقة الذكية وأجهزة التدريع.
* metamaterials و metasurfaces متشابهة ويحتوي كلاهما على الomms meta ، ولكن metasurfaces 2D ، في حين أن المواد metamaterials ثلاثية الأبعاد.
* يمكن أن تكون المواد metamaterials قابلة للبرمجة ؛ يتحكمون في مجموعة من الموجات الكهرومغناطيسية عبر الطيف الكهرومغناطيسي في جهاز واحد.
عن المؤلف
ليام كريتشلي صحفي تقني مستقل
