Plašt nevidljivosti

Kao inspiracija za kreiranje ovakvih plaštova poslužili su brojni primeri nevidljivosti nastali u čovekovoj mašti, počev od antičkog mita o Gigu, kome je nevidljivost poslužila da osvoji kraljevski presto, preko brojnih primera u bajkama i drugoj literaturi (jeste li čitali „Nevidljivi čovek“ Herberta Dž. Velsa?), pa do ekranizovanih priča kao što su Zvezdane staze, Hari Poter... Ali, za razliku od plaštova nevidljivosti nastalih i ograničenih magijom, realni nevidljivi plaštovi napravljeni od metamaterijala i zasnivaju se na čvrstim naučnim dokazima i višegodišnjem istraživačkom radu.

Iluzija nevidljivosti

Vidljivost nekog realnog trodimenzionalnog objekta ostvaruje se tako što svetlost pada na njegovu površinu i s nje se reflektuje, pri čemu se deo svetlosti apsorbuje. Reflektovani zraci dolaze do oka posmatrača. U zavisnosti od oblika posmatranog predmeta, svetlosni zraci se rasipaju, a talasni front krivi, što omogućava da vidimo sve krivine i uglove koje određeni objekat sadrži.

Iz tog principa proizilazi logičan zaključak da je nevidljiv onaj predmet koji niti apsorbuje niti reflektuje svetlosne zrake koji padaju na njega, već ih u potpunosti propušta. Zato se nevidljivost zasniva na optičkoj propustljivosti materijala. Predmet realno postoji, ali zbog odsustva reflektovanih zraka s njegove površine posmatrač dobija iluziju nevidljivosti.

Prvi plašt nevidljivosti

U skladu sa fizičkim principima (ne)vidljivosti, naučnici su došli do zaključka da bi se potpuna iluzija nevidljivosti mogla ostvariti kreiranjem trodimenzionalnih plaštova u vidljivom delu svetlosnog spektra. Put do rešenja vodio je preko minijaturnih 2D plaštova za mikrotalasno i infracrveno područje. Funkcionisali su po principu blagog preusmeravanja svetlosti oko objekta koji bi trebalo da sakriju, što je činilo ogrtače znatno glomaznijim od objekata.

Za mikrotalasno područje napravljen je 2006. prvi plašt nevidljivosti, a njegovi tvorci su John Pendry (Imperijal koledž, London) i David Smith (Univerzitet Djuk, Severna Karolina). Proglašen je najvećim dostignućem u toj godini po izboru renomiranog časopisa Science, a zasnovan je na stvaranju elektromagnetnog omotača oko predmeta.

Efekat može da se ostvari samo u određenim uslovima (za određene talasne dužine) i samo u dve dimenzije. Nevidljivost nije bila potpuna, javljala se mala senka pri pažljivijem posmatranju. Osim toga, plašt je mogao da sakrije samo manje objekte. Naučnici su tom prilikom prikazali nevidljivost bakarnog cilindra debljine nešto veće od 1 cm. Kasnije su to usavršili i ostvarili bolji rezultat, a počeli su i s razvojem plašta nevidljivosti s metamaterijalima.

Nevidljivi tepih

Godine 2007. princip nevidljivosti objekata dobio je novu dimenziju – ostvaren je za oblast vidljive svetlosti. To ostvarenje napravio je tim naučnika sa američkog Univerziteta Merilend, koga je predvodio Igor Smolyaninov. Plašt se sastojao od 2D strukture s koncentričnim zlatnim prstenovima obloženim plastičnom masom (polimetil metakrilat).

U 2011. godini naučnici su napravili nevidljivi tepih koji skriva objekte ispod sloja silicijum-oksida i silicijum-nitrida, a manipulaciju sa svetlošću pomoću „nevidljive“ sfere napravio je diplomac na Univerzitetu Sent Endruz u Engleskoj.

Tim naučnika iz Instituta za tehnologije Karlsrue (Nemačka) i Imperijal koledža u Londonu, koje je predvodio Tolga Ergin, napravio je plašt od fotoničnih kristala da bi sakrili minijaturnu izbočinu na zlatnoj površini. Materijal se sastojao od specijalnih sočiva za preusmeravanje svetlosnih talasa. To je bio prvi 3D plašt nevidljivosti, iako minijaturnih dimenzija. Ipak, tek s korišćenjem metamaterijala može se govoriti o prvim pravim 3D plaštovima.

Metamaterijali

Ideju metamaterijala dao je ruski naučnik Viktor Veselago još 1967. godine, ali se na razvoju metamaterijala radi tek u poslednjih dvadesetak godina. To su veštačke periodične strukture, kod kojih se osnovnom materijalu (staklo, metal, plastika) dodaju periodični elementi određenog oblika, veličine, orijentacije i geometrijskog rasporeda, a elektromagnetne osobine takve strukture zavise isključivo od tog oblika i rasporeda. Zahvaljujući toj strukturi oni poseduju elektromagnetne osobine kakve se ne mogu naći u prirodi. Omogućavaju manipulaciju svetlošću kako to dosada u prirodi nije bilo moguće. Izborom oblika i rasporeda dodatih elemenata, elektromagnetni parametri se proizvoljno mogu menjati. Prirodni materijali imaju pozitivan indeks refrakcije, dok se zahvaljujući svojoj strukturi, indeks refrakcije kod metamaterijala može promeniti i na negativnu vrednost. Vrlo su malih dimenzija, njihove jedinične ćelije metaatomi znatno su manji od talasne dužine (reda jedne desetine talasne dužine).

Zakrivljenje svetlosti

Metamaterijali imaju osobinu da provode talas određene talasne dužine, tako da se nakon prolaska kroz njega stvara utisak da talas nije naišao ni na kakvu prepreku, poput vode koja zaobilazi kamen koji joj se našao na putu. Talas nesmetano nastavlja put, a prepreka od metamaterijala praktično postaje nevidljiva.

Pri kretanju u prostoru svetlost bira najkraću putanju (pravu liniju), ali se kod metamaterijala može dogoditi da ta linija ide oko predmeta obloženog metamaterijalom. U tom slučaju dolazi do zakrivljenja svetlosti, što omogućava da svaki predmet obavijen omotačem nanometarski precizne metastrukture postaje nevidljiv, bez obzira na to iz kog pravca svetlost dolazi. Efekat sakrivanja zavisi od sastava metamaterijala i s njim se može proizvoljno manipulisati.

Nakon zakrivljenja, svetlost se mora ponovo uputiti na istu putanju na kojoj se nalazila pre toga. Po prolasku oko predmeta ona nastavlja svoj put i, pre ili kasnije, nailazi na površinu od koje će se odbiti i uputiti nazad ka posmatraču. Sa adekvatnom strukturom metamaterijala, reflektovana svetlost ponovo će zaobići skriveni predmet na isti način. Ako to nije slučaj, predmet će pri refleksiji biti osvetljen, pa će se pojaviti senka.

Primena plašta nevidljivosti

Predviđaju se mnoge oblasti primene plaštova nevidljivosti zasnovanih na metamaterijalima. To se odnosi na oblast komunikacija (za razvoj optičkih i mikrotalasnih sistema) i vojnih tehnologija, kao i za zaštitu osetljivih uređaja od elektromagnetnog zračenja, fokusiranje Sunčeve energije do solarnih ćelija, povećanje kapaciteta skladištenja informacije na optičkim diskovima...

Jedna od najvažnijih interesnih sfera je vojna tehnologija, pošto se traga za objektima koji će biti nevidljivi za radare. Upravo iz tih razloga glavni inicijator i finasijer razvoja i jeste vojska. Nevidljivi plaštovi predstavljaju najnoviji izazov u toj oblasti, koji će iz osnova promeniti dosadašnje načine vođenja ratova. Pritom, ne treba zaobići ni moralno pitanje – hoće li se nevidljivi plaštovi upotrebiti u korisne svrhe ili će se zloupotrebiti.

Poseban značaj nevidljivi plaštovi imaju za razvoj stealth vojne tehnologije. Ta tehnologija je svakako već poznata, ali je do sada koristila materijale za apsorbovanje radarskih zraka kako bi se smanjila refleksija ka izvoru zračenja. Plašt nevidljivosti omogućiće skrivanje objekata u realnom vremenu, ne samo od radara već i od vidljivosti golim okom.

Kina već testira plašt nevidljivosti na svojim borbenim avionima. Metamaterijal za tu svrhu razvio je istraživački tim State Key Laboratory of Millimetre Waves (Southeast University, Nanking). Podrazumeva se da se slični testovi rade i u Americi, kao i drugim tehnološkim liderima u svetu, ali s malo manje informacija dostupnih javnosti. Nepovoljna je okolnost što su metamaterijali komplikovani i teški za proizvodnju, posebno s obzirom na uslove i okolnosti u kojima se borbene letelice mogu naći. Ipak, dobra vest je da je početkom godine kineska kompanija Kuang-Chi otpočela s masovnom proizvodnjom malih metalnih membrana zasnovanih na metamaterijalima. To je prva proizvodna linija predmeta od metamaterijala u svetu. Verujemo da neće biti jedina...