С глаз долой: как физики делают вещи невидимыми

Вот мы и дожили до такого времени, когда шапка-невидимка, привычный атрибут народных сказок, не кажется фантастикой. Нынешние технологии позволяют скрывать объекты безо всякого волшебства, опираясь только на знание законов физики.

История материалов-невидимок уходит корнями в период становления советского государства, когда запускали множество научных проектов, порой самых фантастических. В 1936 году в прессе писали о самолете из прозрачного оргстекла, покрытого амальгамой. Его якобы сконструировал Роберт Бартини, сбежавший в СССР итальянский инженер. Однако ни фотографий, ни чертежей того чудесного воздушного судна не сохранилось, так что секрет его невидимости, можно считать, утерян. Материалы, недоступные взгляду, пришлось изобретать заново.

Мы видим те объекты, которые отражают свет. Они рассеивают его под разными углами в зависимости от цвета, материала, положения относительно источника света. Отражение улавливает сетчатка глаза и транслирует в мозг, где формируется изображение. Соответственно, если свет, отраженный от объекта, не дошел до сетчатки, мы его не увидим. Но как реализовать такую технологию на практике?

На сегодняшний день ученые придумали три метода. Например, они предлагают заставить свет огибать объект, не сталкиваясь с ним. Для этого вещь должна быть покрыта материалом с особой структурой в виде решетки включений-кирпичиков, размер которых меньше определенной длины волны света.

Так художник представил себе наноплащ-невидимку

Допустим, видимый человеческим глазом спектр охватывает длины волн от 400 до 700 нанометров, следовательно, включения решетки должны быть порядка 100-200 нанометров. Неслучайно их называют метаатомами. Свет будет огибать объект, покрытый метаатомами, словно пешеход яму на дороге. Подобную задумку реализовали физики из США в 2015 году, создав из кремния материал толщиной всего 80 нанометров. С его помощью удалось скрыть крохотную частицу из живых клеток от наблюдавшего ее в микроскоп исследователя.

«Еще можно сделать так, чтобы свет проходил сквозь материал, не искажаясь. В физике используется величина под названием коэффициент пропускания — она показывает отношение потока излучения, прошедшего через вещество, к потоку, упавшему на ее поверхность. Например, через вакуум свет проходит беспрепятственно, поэтому его коэффициент пропускания равен единице. А вот металл отражает все падающие на него электромагнитные волны. Получается, чтобы материал был невидимым, свет должен проходить через него полностью, не рассеиваясь, как через вакуум», — рассказывает Алексей Башарин, сотрудник лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС.

Оптический метаматериал пропускает через себя свет, не изменяя его траекторию, — в отличие от обычных материалов

Для этого исследователи придумали комбинировать два материала так, чтобы отражающиеся от них волны гасили друг друга и просто проходили насквозь без рассеяния — такое состояние называется анаполь. А структуры, проявляющие необычные свойства благодаря своей архитектуре, а не характеристикам составляющих их веществ, называют метаматериалами.

Третий метод строится на способности материала поглощать весь свет, ничего не отражая. Но он не очень популярен, так как полностью скрыть за ним объект не удастся — он будет отбрасывать тень.

«Труднее всего сделать материал, прозрачный для широкого диапазона света. К счастью, это и не нужно, ведь обычно функция невидимости востребована для конкретной задачи. Например, сделать так, чтобы некое излучение уничтожало только раковые клетки, а здоровые просто не замечало. Что касается плащей-невидимок в качестве развлечения для людей, вряд ли они в ближайшее время выйдут на рынок. Физикам достаточно доказать, что конкретный метаматериал работает, для чего нужен кусочек размером в несколько микрометров. Производить огромные «лоскуты» просто неинтересно и крайне дорого, по крайней мере, сейчас», — заключает Башарин.

Источник