Metamateriaal: hoe kunstmatige structuren licht en golven naar hun hand zetten
Een metamateriaal is geen stof op zich, maar een slim ontworpen structuur. Stel je een blaadje bubbeltjesplastic voor: het plastic zelf is niets bijzonders, maar door de vorm van de luchtbelletjes krijgt het materiaal eigenschappen die los plastic niet heeft, zoals schokdemping. Metamaterialen werken volgens hetzelfde principe, maar dan met piepkleine metalen of kunststof patronen die kleiner zijn dan de golflengte van licht, radiogolven of geluid. Door die patronen precies te ontwerpen, buigen, weerkaatsen of absorberen ingenieurs elektromagnetische golven op manieren die met natuurlijke materialen onmogelijk zijn.
De term "meta" (Grieks voor "voorbij") verwijst naar het feit dat deze materialen eigenschappen krijgen die voorbij gaan aan wat de chemische samenstelling normaal toelaat. Waar een gewone lens van glas licht buigt dankzij de moleculaire opbouw van het glas, buigt een metamateriaal golven dankzij de geometrie van de structuur: de vorm en rangschikking van piepkleine elementen bepalen het gedrag, niet het basismateriaal. Dat opent de deur naar vlakke lenzen, extreem compacte antennes en materialen die radarstraling bijna volledig absorberen.
Wat is het precies?
De basisbouwsteen van een metamateriaal is een kunstmatig "atoom": een klein metalen of diëlektrisch (niet-geleidend) patroon, vaak in de vorm van een ringetje met een spleet, een spiraaltje of een kruisje. Zo'n patroon heet een resonator, omdat het net als een gitaarsnaar reageert op een specifieke frequentie van de invallende golf. Door duizenden van deze resonatoren op regelmatige afstand van elkaar te plaatsen, op een raster dat veel fijner is dan de golflengte waarmee je werkt, ontstaat een materiaal dat zich voor die golf gedraagt als een homogene stof met eigenschappen die de ontwerper zelf kan kiezen.
De belangrijkste eigenschap die je zo kunt afstellen is de brekingsindex: het getal dat aangeeft hoe sterk een golf van richting verandert wanneer hij het materiaal binnendringt. Bij normale materialen is dit getal positief. Metamaterialen kunnen worden ontworpen met een brekingsindex van nul, of zelfs negatief. Een negatieve brekingsindex betekent dat licht bij het binnentreden van het materiaal naar de verkeerde kant afbuigt vergeleken met wat je in de natuur zou verwachten. Dat klinkt exotisch, maar het is precies wat onderzoekers nodig hebben voor toepassingen zoals superscherpe lenzen die kleiner zien dan de golflengte van licht zelf toelaat, iets wat met gewone lenzen fysiek onmogelijk is.
Een verwante, nieuwere variant is het metasurface (metaoppervlak): in plaats van een dik, driedimensionaal rooster van resonatoren gebruik je een flinterdun, tweedimensionaal patroon op een oppervlak. Elk puntje op dat oppervlak buigt het licht een klein beetje anders, waardoor het hele oppervlak zich gedraagt als een lens, een spiegel of een hologram, terwijl het zelf nauwelijks dikker is dan een velletje papier. Metasurfaces zijn de reden dat "platte lenzen" (metalenzen) tegenwoordig serieus onderzocht worden als vervanger voor gebogen glazen lenzen in camera's.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderliggende doel is controle: golven laten doen wat de natuur uit zichzelf niet toestaat. Voor optica betekent dit lenzen die scherper beeld geven dan de klassieke natuurkundige grens (de zogeheten diffractielimiet), of juist extreem dunne en lichte lenzen voor smartphones, camera's en medische scanners.
Voor radiogolven en radar ligt de nadruk op twee tegenovergestelde doelen: golven zo goed mogelijk doorlaten en bundelen (voor compacte antennes, bijvoorbeeld voor satellietcommunicatie of 5G/6G-netwerken), of golven juist volledig absorberen zodat een object nauwelijks een radarecho geeft. Dat laatste is de basis van stealth-coatings voor defensietoepassingen.
Een derde, spraakmakende belofte is onzichtbaarheid: als je een object kunt omhullen met een metamateriaal dat golven om het object heen leidt in plaats van erop te weerkaatsen, lijkt het voor een waarnemer alsof het object er niet is. Dit concept, cloaking genoemd, is voor microgolven al gedemonstreerd, maar voor zichtbaar licht is het vooralsnog beperkt tot kleine objecten en smalle bereiken van golflengtes.
Tot slot bestaat er ook akoestische metamateriaaltechniek, waarbij niet elektromagnetische golven maar geluidsgolven worden gestuurd. Doelen zijn hier onder meer extreem effectieve geluidsisolatie en trillingsdemping in gebouwen en machines.
Voorbeelden uit de praktijk
De theoretische basis werd al in 1967 gelegd door de Russische natuurkundige Victor Veselago, die voorspelde dat materialen met een negatieve brekingsindex zouden kunnen bestaan, ook al was er destijds geen manier om ze te maken. Pas rond 2000 lukte het David R. Smith en collega's, toen verbonden aan de University of California San Diego, om voor het eerst een echt werkend metamateriaal met negatieve brekingsindex te bouwen, voor microgolven.
In 2006 demonstreerde een team onder leiding van diezelfde David Smith, inmiddels aan Duke University, een metamateriaal-mantel die een object voor microgolfstraling gedeeltelijk onzichtbaar maakte: een vroeg, spraakmakend bewijs dat cloaking werkelijk kan werken, zij het nog ver van een sciencefiction-onzichtbaarheidspak.
Natuurkundige John Pendry van Imperial College London leverde rond diezelfde periode de theoretische onderbouwing voor de "perfecte lens", een metamateriaallens die in theorie beelden zonder de klassieke scherptelimiet kan vormen, en droeg bij aan het wiskundige raamwerk achter cloaking.
Harvard-onderzoeker Federico Capasso publiceerde in 2011 invloedrijk werk over metasurfaces en een "gegeneraliseerde brekingswet", wat de basis legde voor moderne metalenzen: platte lenzen die inmiddels in laboratoria beelden kunnen vormen die qua scherpte kunnen wedijveren met kleine, klassiek geslepen camera-lenzen.
Commercieel is satellietantennebouwer Kymeta een van de bekendste voorbeelden: het bedrijf verkoopt platte, elektronisch stuurbare antennes op basis van metamateriaaltechnologie, gebruikt voor mobiele satellietcommunicatie op onder meer schepen en voertuigen.
Hoe ver is de techniek?
Metamateriaalonderzoek is volwassen op sommige fronten en nog experimenteel op andere. Voor microgolven en radar is de techniek relatief ver: absorberende coatings en compacte antennes op metamateriaalbasis worden al toegepast in defensie- en communicatiesystemen. Kymeta's platte satellietantennes zijn een voorbeeld van een product dat daadwerkelijk verkocht wordt.
Voor zichtbaar licht ligt dat anders. Metalenzen bestaan als werkende laboratoriumprototypes en beginnen door te dringen in nichetoepassingen zoals sensoren en compacte camera's, maar ze kampen nog met beperkingen: ze werken doorgaans het best voor één specifieke golflengte of een smal kleurenbereik, en op grotere schaal produceren blijft duur en lastig.
Optische onzichtbaarheidsmantels, het meest tot de verbeelding sprekende concept, zijn tot dusver alleen gedemonstreerd voor kleine objecten, smalle golflengtebereiken of specifieke waarnemingshoeken. Een bruikbare mantel die een mens verbergt voor zichtbaar licht uit alle richtingen bestaat niet en ligt, voor zover nu bekend, nog ver in de toekomst, als het al fysisch haalbaar blijkt op praktische schaal.
Een structureel obstakel is verlies: metamaterialen die metalen resonatoren gebruiken, absorberen vaak een deel van de energie van de golf als warmte, wat hun efficiëntie beperkt, vooral bij optische frequenties. Onderzoekers zoeken naar diëlektrische (niet-metalen) alternatieven en nieuwe fabricagemethodes om dit verlies te verminderen.
Wie werken eraan?
Duke University (Verenigde Staten), met David R. Smith als boegbeeld, geldt als een van de bakermatten van experimenteel metamateriaalonderzoek. Imperial College London, waar John Pendry werkzaam is, is toonaangevend op het theoretische vlak. Aan Harvard University leidt Federico Capasso onderzoek naar metasurfaces en metalenzen.
In China is Southeast University, met onderzoeker Tie Jun Cui, een vooraanstaand centrum voor programmeerbare en digitale metamaterialen, waarbij de eigenschappen van het materiaal elektronisch kunnen worden aangepast in plaats van vastliggen in de fabricage.
Op het gebied van financiering en militaire toepassingen speelt het Amerikaanse defensie-onderzoeksbureau DARPA een belangrijke rol, met programma's gericht op radar, antennes en stealth-technologie. Commercieel is Kymeta Corporation het bekendste bedrijf dat metamateriaaltechnologie naar de markt heeft gebracht, specifiek voor satellietantennes.