Физики не ограничивают фантазию при создании метаматериалов

Иллюстрация предоставлена П. Беловым.

– Павел Александрович, чем метаматериалы отличаются от композиционных?
– Разница принципиальная. В композиционных материалах смешивают два или более материалов с определенными свойствами, и они от этого здорово выигрывают. В метаматериалах все наоборот: необычных качеств не было вовсе, и приобретаются они лишь при правильном структурировании. Сначала мы придумываем свойства, подчас совершенно необыкновенные. Например, механические, чтобы материал не сопротивлялся сжатию, а, наоборот, поддерживал его. Или решаем добиться отрицательного преломления света, чтобы его луч от нормального положения отклонялся в другую сторону. Или сделать линзу со сверхразрешением и избежать дифракционного предела. И все это возможно благодаря метаматериалам. Физические законы они не нарушают, хотя в природе, как уже говорилось, ничего подобного наблюдать нельзя.

– Но будет где использовать эти материалы? Не положат ли их на полку?
– Такое не исключено. И спекуляции вполне вероятны, имеется в виду шумиха вокруг невидимости. Причина простая: чтобы от концепции, основанной на добытом фундаментальном знании, перейти к практике, нужно решить массу проблем. Потребоваться на это может лет 15. И все же приведу несколько примеров, где этот переход уже успешно завершен. Удалось, например, сделать особые столы для беспроводной зарядки: стоит положить на них телефоны – и они начинают заряжаться. Но главное – мы усовершенствовали работу магнитно-резонансного томографа. Изобретен он был, между прочим, в нашем ИТМО профессором Владиславом Александровичем Ивановым – коллеги в мире это признают. Мы продолжаем его дело и решили далеко не простую проблему. Если не для специалистов, то принцип действия МРТ такой: на обследуемого действует мощный магнит, и прибор считывает данные о состоянии наших органов. С помощью метаматериалов удалось создать устройство, которое разделяет магнитные и электрические поля в пространстве и тем самым очищает поступающий сигнал от неминуемо возникающего шума. Это позволило увеличить чувствительность приемных трактов прибора и сделать его приемные катушки беспроводными. На томографе нового поколения можно проводить раннюю диагностику рака молочной железы. Появилась возможность исследовать состояние нейронов головного мозга. И при этом технология усовершенствования МРТ с инженерной точки зрения достаточно простая и дешевая.

– Легко сказать «сделали метаматериал», как вы его получаете?
– Метаматариалы нужно придумывать. Поэтому их совершенство и эффективность зависят от профессионального уровня разработчика, его креативности и силы воображения. Требуется определенная смелость, чтобы предположить, что свет может преломляться неправильным образом, а линза – иметь сверхразрешение. То есть опровергнуть истину, что этого не может быть. Если все же удается придумать то, чего на самом деле нет, то, используя накопленные знания в этой новой области физики, мы синтезируем метаматериал. Но речь не идет о применении его качеств, как при разработке композитов. Наш конек – геометрия структур. За счет нее мы и создам новинки.

Мы не контролируем атомы и молекулы, из которых состоят натуральные материалы, а используем в качестве базовых элементов более крупные конструкции – метатомы, заранее зная, какой формы и из каких материалов они должны быть сделаны.

– Вопрос, как эту геометрию разработать, какими знаниями нужно для этого обладать?
– Это своего рода новая таблица Менделеева для метаматериалов. На мой взгляд, конструирование новых материалов с учетом их необыкновенных свойств – например, расширения или сжатия – своего рода искусство. Возможно, в будущем мы поручим эту миссию искусственному интеллекту. Кстати, используя всего два элемента обычной таблицы Менделеева, я могу очень многое сделать. Нужны лишь изолятор, например, азот, и проводник – любой металл, скажем, медь.

– В извечном споре, что важнее, форма или содержание, вы делаете упор на форму. Как вы ею управляете?
– На самом деле все просто. Есть, скажем, молекула сахара, имеющая вид спиральки. Если на нее направить свет, то ее форма изменится. Так почему по этому принципу не проделать то же самое с металлом: закрутить, например, проволоку в спираль, придав ей нужную конфигурацию. Получится метамолекула, приводящая в движение микроволновые волны. Ограничений нет: самые разные материалы в наших руках могут принимать неожиданные геометрические формы. А не получилось с одним материалом, мы смело пробуем с другим. Только и всего. Потому что нас интересуют не отдельные молекулы, мы не собираем, скажем, кристаллы или структуры, а работаем на макроуровне. А если и возникают какие-либо ограничения, то с помощью метаматериалов, как уже говорилось, их легко снять. У нас, подчеркну, очень много степеней свободы. Я, например, работаю с плазмоподобными материалами. В настоящей плазме, чтобы поменять плазменную частоту, нужно взять другую плазму из других заряженных частиц. А в плазмоподобном веществе для той же цели можно просто изменить геометрические параметры материала. Его я «конструирую» в каждом конкретном случае. Так, замена натурального атома на искусственный открывает огромные возможности для создания материалов с самыми разными свойствами.

– Если сравнить уровень ваших исследований с мировым?
– Сегодня в нашей стране достаточно много физиков занимаются метаматериалами. Считаю, что наши исследования находятся на самом высоком уровне, поскольку мы уже много лет разрабатываем эту необыкновенно перспективную тематику. И не в одном, замечу, достаточно узком направлении, а в имеющем массу ответвлений и практических приложений. Создание, например, солнечных батарей с улучшенными свойствами или устройств для беспроводной передачи энергии. В отдельных областях мы продвинулись несколько дальше зарубежных коллег, например, в магнитно-резонансной томографии. Два года назад были на первом месте в мире по беспроводным технологиям для МРТ. Наши разработки найдут применение даже при создании устройств для детектирования темной материи. Добытые нами знания и опыт можно использовать, чтобы подтолкнуть или сдвинуть с мертвой точки исследования в самых разных, порой неожиданных, сферах.

– Ваши материалы потеснят кого-то на мировом рынка или у них будет своя ниша?
– Уже сейчас ясно: своя ниша у них будет обязательно. Вряд ли они кого-нибудь вытеснят, хотя и не исключено. Но случится это при одном условии: если они станут более дешевыми. Добейся мы этого – и они смогут несколько «подвинуть» натуральные материалы. В принципе, это возможно.

– Как так получилось, что физики практически идут в одном направлении, а вы взяли да пошли своим путем?
– Думается, в науке так и должно быть. Профессор Веселаго сумел свернуть с проторенных путей, и его за изобретение метаматериалов номинировали на Нобелевскую премию. Однако не получилось, поскольку не удалось быстро найти прорывное применение метаматериалов. Он открыл совершенно новую область, которую сегодня мы и разрабатываем. Считаю, у нас получается. Едва ли не впервые появилась возможность фактически придумать все, что угодно, ничем себя не ограничивая, кроме физических законов. Сделать, например, материал, свойства которого изменяются во времени. Пока мы даже не представляем, какие перспективы перед нами откроются, к чему это может привести. И это здорово. Будущее покажет!