ASPress - czasopisma pedagogiczne

www.aspress.com.pl/prenumerata_2018/
ARCHIWUM WYDAŃ CYFROWYCH

Wydanie specjalne "Fizyki w Szkole"


Zamów

Wydania specjalne "Geografii w Szkole"

2011

2010

2009

2008


Zamów



Historia powstania  * Dane techniczne * Słynne rajdy * Rozwiązania konstrukcyjne
Pierwszy pojazd z napędem na obie osie skonstruowano w 1824 r. a więc ponad pól wieku wcześniej od samochódu.
Jednak dopiero wojskowi amerykańskiej armii jako pierwsi chcieli mieć pojazd, który pojedzie każdą drogą, pokona głębokie rowy  i wyposażony będzie we wciągarkę, tak by mógł poruszać się w każdym terenie.
Więcej


ZAPOWIEDZI WYDAWNICZE


Samochody sportowe
Słynne modele  * Sportowe sukcesy * Historia marek * Rekordowe osiągi
Historia samochodów sportowych jest prawie tak stara jak same samochody. Pierwszy wyścig odbył się już w 1894 roku na trasie Paryż-Rouen. Co ciekawe - rywalizowały ze soba samochody o napędzie parowym, spalinowym i elektrycznym. Trasę 120 km najszybciej pokonał samochód o napędzie parowym, ale został zdyskwalifikowany za niedozwolone przeróbki.


Sztuka dziennikarska
Czym są media  * Jak pisać * Jak robić karierę * Jak nie zwariować
Dziś więcej ludzi pisze niż czyta.  
Takie możliwości stworzył Internet i telewizja komórkowa. Czy to oznacza koniec dziennikarstwa, czy jego nowa era? Czy to co dzisiaj obserwujemy w mediach – wpisy na portalach społecznościowych, blogi są dziennikarstwem czy tylko zabawą pasjonatów internetu?



Baza danych
Władza * Pieniądze * Intrygi * Uczucia * Polityka
Dla współczesnego człowieka korporacja jest ważniejsza od rodziny. Korporacja daje awanse, władzę i pieniądze, ale żąda bezwzględnego podporządkowania, potem wysysa z ludzi energię a na końcu wypluwa człowieka na zewnątrz. A co się dzieje, kiedy człowiek nie chce podporzadkować się procedurom i normom korporacyjnym? Czy można pracować w korporacji i być normalnym człowiekiem? Czy jest życie poza korporacją?


Ebooki 


Więcej

Artykuły archiwum

16.05.2016

Metameteriały - inne spojrzenie na materię

Historia ludzkości pokazuje, że odkrycia nowych materiałów oraz metod ich przetwarzania stoją u podstaw rozwoju każdej cywilizacji. Z tego powodu naturalny jest podział dziejów na epoki na podstawie faz rozwoju technologicznego. Możemy wyróżnić kolejne okresy od ery kamienia, przez ery brązu, miedzi i żelaza. Z kolei rewolucja przemysłowa w XIX wieku oparta była na węglu i stali. Wiek XX to era krzemu, który jest podstawą technologii cyfrowych, które są motorem niezwykle szybkiego rozwoju społeczeństw opartych na wiedzy.

Koniec XX wieku przyniósł nowe odkrycia, które pozwoliły na inne spojrzenie na otaczającą nas materię. Teoretyczne prace angielskiego badacza sir Johna Pendry’ego pokazały, że możliwe jest projektowanie i wytwarzanie nowych materiałów o niespotykanych dotąd własnościach optycznych. Mowa tu o tzw. metamateriałach, czyli sztucznych materiałach, których makroskopowe cechy zależą od podfalowej wielkości struktur stanowiących komórki elementarne projektowanego materiału, tzw. metaatomów. Te nowe materiały rozbudziły wyobraźnię i nadzieję społeczności międzynarodowej na opracowanie przełomowych technologii istniejących dotychczas jedynie w filmach i literaturze fantastycznonaukowej. Niezwykłe własności metamateriałów mają ułatwić stworzenie m.in. czapki niewidki, która dowolny obiekt uczyni niewidzialnym, idealnej soczewki pozwalającej na obrazowanie z rozdzielczością znacznie przekraczającą możliwości współczesnych mikroskopów optycznych czy fotonicznej czarnej dziury całkowicie pochłaniającej padające na nią światło.

Właśnie mija 15 lat od przełomowych prac Pendry’ego. W tym czasie dzięki intensywnym badaniom znacznie zwiększyły się możliwości aplikacyjne metamateriałów. Udało się uzyskać materiały o kontrolowalnych własnościach elektrycznych, materiały magnetyczne działające w szerokim zakresie częstotliwości od GHz po częstotliwości optyczne, wreszcie ośrodki o ujemnym współczynniku załamania i wysokim dodatnim (...)
 
Czapka niewidka
Możliwość manipulowania własnościami materii pozwala na powstawanie nowych zjawisk i urządzeń. Szczególną uwagę badaczy przyciągnęła koncepcja ośrodka umożliwiającego uczynienie niewidzialnym dowolnego obiektu materialnego. Mówimy tu o tzw. czapce niewidce. Pomysł polega na tym, aby promienie światła przechodzące przez taki hipotetyczny ośrodek nie uległy zniekształceniu powstałemu na skutek np. ich rozproszenia na ukrywanym obiekcie (...) Światło, przechodząc przez ośrodek o odpowiednim przestrzennym rozkładzie współczynnika załamania, propaguje się w taki sposób, że omija ukrywany centralny obszar, zachowując jednocześnie na wyjściu kierunek padania promieni. W efekcie obserwator stojący na linii biegu tych promieni nie zauważy żadnej zmiany, tak jakby światło nie napotkało żadnej przeszkody. 
Strukturę taką po raz pierwszy udało się skonstruować badaczom w 2006 roku. Zbudowana była z cylindrycznych warstw rozpiętych pierścieni o rozmiarach kilku mm. Różna gęstość oraz parametry geometryczne rozpiętych pierścieni w kolejnych warstwach pozwoliły na uzyskanie przestrzennego rozkładu współczynnika załamania, wzrastającego z promieniem struktury. W efekcie wykonana struktura umożliwiła znaczne ograniczenie rozpraszania promieniowania e-m na umieszczonym wewnątrz obiekcie oraz redukcję cienia obiektu dla promieniowania w zakresie mikrofalowym. 
Zastosowanie materiału opartego na strukturze rezonansowej ogranicza funkcjonalność takiego układu do wąskiego zakresu częstotliwości i kątów padania. Z tego względu struktury, które udało się do tej pory wykonać, były ograniczone jedynie do dwóch wymiarów. Ponieważ koncepcja czapki niewidki opiera się na lokalnej modyfikacji współczynnika załamania, który w dalszym ciągu jest dodatni, naukowcy zaproponowali strukturę, która nadal działałaby w dwóch wymiarach, zamiast jednak otaczać ukrywany obiekt, jedynie go przykrywa. Aby ukryć obiekt pod strukturą dwuwymiarową, należy tak zmodyfikować rozkład współczynnika załamania, by wybrzuszony obszar odbijał światło jak gładka, płaska powierzchnia. Taką dwuwymiarową strukturę działającą w zakresie 1400–1800 nm wykonano w 2009 roku w warstwie krzemu, w którym wytrawiono odpowiednio rozstawione otwory dające przestrzenny rozkład współczynnika załamania. Rok później naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Karlsruhe opracowali dosyć skomplikowaną strukturę trójwymiarową (...)
Przedstawione struktury nie są rezonansowe i nie zawierają stratnych materiałów. Jednakże wymagają dosyć skomplikowanej budowy, co w odniesieniu do zakresu widzialnego nastręcza trudności technologicznych oraz nasuwa pytanie o ekonomiczną opłacalność takiej technologii. Przedstawiony pomysł ukrywania obiektów ma jeden istotny mankament. Otóż, ze względu na brak oddziaływania padającego światła z ukrywanym obiektem, jest on niewidoczny dla otoczenia, a otoczenie jest niewidoczne dla ukrywającego się obserwatora, co dyskwalifikuje tę technologię w zastosowaniach np. militarnych.
Innym podejściem, idąc dalej tropem zastosowania tych struktur w wojskowości, jest próba zmylenia przeciwnika przez wykorzystanie iluzji optycznej tworzącej obiekt o odmiennych kształtach niż ten ukrywany. Z rozważań teoretycznych wynika, że do tego potrzebowalibyśmy dwóch różnych metamateriałów: tzw. ośrodka komplementarnego niwelującego rozproszenie światła od ukrywanego obiektu oraz tzw. ośrodka rekonstruującego, który tworzyłby iluzję nowego obiektu. Co ważniejsze, układ taki może działać na odległość, np. możemy stworzyć wirtualny otwór w murze, który umożliwi nam obserwację ukrytego za nim świata. Podobnie jak wcześniej proponowane układy działają na podstawie przestrzennej modyfikacji współczynnika załamania.
Uczeni, wykorzystując pomysł modyfikacji biegu promieni światła wewnątrz materiału, zaproponowali i eksperymentalnie zrealizowali optyczną czarną dziurę, która silnie zaginając światło wewnątrz kulistego ośrodka, umożliwia całkowite uwięzienie fotonów wewnątrz takiej struktury. Pozwala ona na wydajną absorpcję światła w dowolnym kierunku oraz w szerokim zakresie widmowym. Jak twierdzą pomysłodawcy, taka struktura wykonana z mieszaniny powietrza i półprzewodnika o wysokim współczynniku załamania, np. na bazie związku indu, galu, arsenku i fosforu (InGaAsP), powszechnie stosowanego w przemyśle półprzewodnikowym, może znaleźć zastosowanie w fotowoltaice czy detektorach optoelektronicznych. 
 
Metapowierzchnie
Dotychczasowe spektakularne osiągnięcia w dziedzinie metamateriałów nie przełożyły się na urządzenia, które z powodzeniem mogłyby wejść do użytku codziennego: czy to ze względu na ograniczenia technologii, czy też brak opłacalności wprowadzenia ich na rynek cywilny lub wojskowy. Struktury trójwymiarowe są albo niemożliwe do wykonania, albo zbyt skomplikowane i nieopłacalne. Innym pomysłem mającym realną szansę na wykorzystanie są tzw. Metapowierzchnie. To dwuwymiarowe obiekty, które dzięki odpowiednio zaprojektowanym strukturom mogą manipulować światłem w określony sposób. Każdy punkt takiej powierzchni jest anteną, która wypromieniowuje pole elektromagnetyczne w konkretnym kierunku. Odpowiednie ustawienie takich anten pozwala na dowolne kształtowanie padającego na nią światła oraz modyfikację każdej powierzchni, np. czoła światłowodu, nadając jej cechy obiektu trójwymiarowego. Szczególnie struktury takie mogą być wykorzystane do budowy mikro- i nanosoczewek ogniskujących światło w bliskim obszarze soczewki, co pozwoli na miniaturyzację układów optoelektronicznych.
 
Praktyczne zastosowania
Metamateriały elektromagnetyczne przedstawione w tym artykule pozwoliły na przesunięcie granic wyznaczanych przez znane dotychczas prawa fizyki. Stały się  również inspiracją dla dziedzin odmiennych od optyki, takich jak akustyka czy sejsmologia. Na podstawie koncepcji czapki niewidki niedawno powstały układy do ochrony osiedli mieszkaniowych przed falami sejsmicznymi czy struktury umożliwiające ukrycie łodzi podwodnej przed wykryciem za pomocą sonaru. Prowadzone są również badania nad metamateriałami dla fal materii, zaproponowano już idealną soczewkę dla elektronów wykonaną z grafenu. Pokazuje to, że choć urządzenia oparte na metamateriałach nie wyszły poza mury laboratoriów badawczych, to jednak wpływ tej dziedziny na sposób myślenia o otaczającym nas świecie materii jest nieoceniony.

Więcej przeczytacie w artykule Piotra Wróbla „Wprowadzenie do magicznego świata metamateriałów“ w wydaniu 1/2015 „Fizyki w Szkole“. 

Powrót