Технологии оптической невидимости и перспективы их использования

Введение

Много лет специалисты разных стран работают над созданием универсального камуфляжа для максимальной маскировки военных в различных географических и погодных условиях. 

Первые отличительные камуфляжи появились во времена Второй мировой войны и их узор представлял собой почковидные пятна. 

В конце 1970-х армия США представила новый узор под названием «Дуал-текс», в котором использовались идеальные цветные квадраты, чтобы сразу имитировать два узора: один крупный и один небольшой, эффективные на разных расстояниях. 

К 1990 году началась разработка узоров на компьютере, а вместе с ней и возрождение научных исследований. Американским офицером Тимоти О’Нилом был разработан новый узор – маленькие цветные квадратики на камуфляже, которые могли обмануть глаз, смотрящий на солдата или грузовик, поскольку объединяли их с фоновой сценой.

Сегодня в производстве камуфляжа в основном используется пиксельный узор, так как пиксели лучше имитируют фрактальные узоры, которые человеческий глаз интерпретирует как белый шум. Если смотреть на такой «цифровой» камуфляж, глазам просто не на чем зафиксироваться. 

В 21 веке, с развитием новых технологий, появляются новые идеи того, как можно скрывать объекты на поле боя и не только. В частности, учеными рассматривается возможность использования технологий оптической невидимости, которые, возможно, в скором времени станут широкодоступными.

Невидимость в оптике известна и уже сравнительно давно используется практически. Так, одной из первых важнейших задач, решавшихся в созданном в 1918 г. в Петроградском Государственном оптическом институте, было создание оптического стекла. Для этого требовалось, в частности, быстрое определение его показателя преломления без сложной традиционной процедуры обработки поверхности образца [1].

Предложенный советским физиком И.В. Обреимовым метод состоял в следующем: исследуемое стекло измельчалось до крупинок размером около 0,5 мм и помещалось в кювету с плоскими стенками. Если затем налить в кювету какую-либо жидкость, то проходящий через кювету пучок света будет сильно рассеиваться из-за резкой неоднородности показателя преломления среды.

Однако рассеяние исчезает, если жидкость обладает ровно тем же показателем преломления, что и стекло. Подобрать такую жидкость можно, смешивая, например, бензол с сероуглеродом. Соответственно, показатель преломления стекла определяется концентрацией смешиваемых жидкостей (когда известны их показатели преломления). 

Подобная невидимость прозрачности также имеет некоторые ограничения. Так, вследствие различия частотной дисперсии (зависимости показателя преломления от частоты или длины волны излучения) стекла и жидкости невидимость нарушается при изменении длины волны, в связи с чем излучение – «измеритель» должно обладать узким спектром. 

В природе почти невидимы медузы, показатель преломления которых близок к показателю преломления воды (значительную часть их объема заполняет так называемая мезоглея, студенистое вещество, сильно – до 97,5% - насыщенное водой). Существенно и то, что в этом варианте требуется совпадение показателя преломления окружающей среды и объекта во всем его объеме, что, очевидно, нелегко реализовать для произвольного маскируемого объекта.

Значительный прогресс в направлении развития технологии невидимости связан с возможностью изготовления метаматериалов – искусственных сред с заранее заданными характеристиками. 

1. Метаматериалы

Метаматериалы – это искусственные конструкции, напоминающие очень тонкий узор, составленный из различных веществ: проводников и диэлектриков. Своё название они получили потому, что могут взаимодействовать с электромагнитными волнами так, как не могут никакие естественные материалы по отдельности. 

Метаматериалы не существуют в природе. Это исключительно рукотворные объекты, позволяющие за счет созданной неоднородности их структуры управлять свойствами света и добиваться определенных эффектов.

Главная особенность метаматериалов – отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Показатель преломления равен отношению синуса угла падения света на материал к синусу угла преломления света в материале. Если взять воздух, то его показатель преломления очень близок к единице, поэтому он не искажает очертания объектов. Уже вода имеет показатель преломления выше единицы, а ряд оптических стекол - и еще больше. 

Первое теоретическое обоснование возможности их существования было дано советским физиком Виктором Веселаго в 1968 году. 

Первопроходцем в области создания таких метаматериалов стал физик Имперского колледжа в Лондоне, сэр Джон Пендри. В середине 90-х он предположил, что достижение нужного угла преломления возможно не столько за счет химического состава молекул, сколько за счет их расположения. 

Размеры внутренних структур, внедренных в метаматериал, должны быть меньше длины волны излучения. К примеру, микроволны могут иметь длину волны порядка 3 см, поэтому если мы хотим, чтобы метаматериал искривлял путь микроволн, мы должны внедрить в него имплантаты размером меньше 3 см. Но чтобы сделать объект невидимым для зеленого света (с длиной волны 500 нм), метаматериал должен иметь внедренные структуры длиной всего около 50 нм. А нанометры – это уже атомный масштаб, для работы с такими размерами требуются нанотехнологии. 

Стоит заметить, что из-за волновой природы света даже метаматериалы не смогут замаскировать любой предмет идеально. Это связанно с утверждением, доказанным Адрианом Нахманом в 1988 году: измерив амплитуду и направления распространения лучей света (с помощью специального детектора), мы можем полностью восстановить пространственный профиль коэффициента преломления среды, через которую они прошли.

В настоящее время всё больше новых серьезных открытий совершаются в этой области, поэтому не удивительно, что некоторые физики ожидают появления в лабораториях первых образцов реального щита невидимости уже через несколько десятилетий. Так, ученые уверены в том, что сумеют в ближайшие несколько лет создать метаматериалы, способные сделать объект полностью невидимым, по крайней мере в двух измерениях, для видимого света любой конкретной частоты [2]. 

2. Достижения в области создания метаматериалов

2.1 Суперлинза

Джон Пендри и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету т.к. оно формируется без затухающих волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами. В оптическом диапазоне суперлинза была реализована. Это была линза, не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра. Для создания линзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия [3]. 

2.2 Антизеркало

Не существовавший ранее в природе тип отражающей поверхности создали британские физики. Для невооружённого глаза новое зеркало отражает видимый свет так же, как обычное. Но на деле – принципиально по-другому. О достижении рапортуют Александр Шванеке и его коллеги из Центра нанофотоники университета Саутгемптона (NanoPhotonics Portfolio Centre).

Магнитное зеркало, созданное Шванеке, действует таким образом – при отражении электромагнитной волны оно обращает магнитную составляющую колебаний, но не трогает электрическую. Так что в сравнении с обычным зеркалом, это можно назвать антизеркалом. Созданное учёными зеркало работает с видимым диапазоном световых волн, так что теоретически в него можно посмотреться. Только оно очень мало – это квадратик со стороной 500 микрометров. Но даже если бы такое зеркало сделали макроскопического размера – на глаз никто разницу бы не увидел.

Авторы устройства говорят, что его экзотические свойства могут пригодиться во многих экспериментах со светом, в создании новых типов фотодатчиков или элементов систем связи. Тем более, что, по их словам, можно построить такое же зеркало и для инфракрасного диапазона.

Секрет же изобретения заключается в том, что фактически это зеркало – метаматериал, то есть хитроумная комбинация на микроуровне обычных веществ, дающая свойства, не присущие ни одному из них по отдельности.

Это зеркало состоит из двух слоёв подложки (сначала алюминий, сверху – диоксид кремния) и рабочего слоя, выполненного из алюминия, но не сплошного, а в виде упорядоченной структуры из волнистых нанопроводов, образующих рисунок «рыбья чешуя». Размер «чешуек» – меньше длины волны падающего света. На поверхности этого зеркала таких элементов поместился целый миллион. Эти-то «чешуйки» и отвечают за отражение электромагнитной волны столь неправильным образом [4].

2.3 Углеродные нанотрубки: эффект миража

Ученые из Университета Техаса в Далласе разработали технологию использования углеродных нанотрубок, которая позволяет «стирать» объекты. В ее основе лежит эффект миража, или фототермическое преломление. Чтобы заставить предмет «исчезнуть», специалисты используют цилиндрические молекулы углерода с высокой теплопроводимостью. Включая и выключая подачу тока, ученые нагревают и остужают материал, вынуждая предмет за ним появляться и пропадать. Основная проблема техасского изобретения, тем не менее, заключается в том, что для его работы скрываемый объект непременно должен находиться в контейнере с водой [5].

2.4 Плащ-невидимка

2.4.1 Разработка плаща-невидимки Университета штата Пенсильвания

По данным на 2015 год, лаборатория в Университете штата Пенсильвания в основном работает в сфере нанофотоники и плазмоники, а также немного в сфере оптической электроники и занимается разработкой плаща-невидимки. 

По словам профессора Университета штата Пенсильвания Синьцзе Ни, их лаборатория занимается созданием оптических свойств материалов на наноуровне, что позволит повлиять на поведение света, вступающего во взаимодействие с этим материалом. Ученые создали маленькие наноструктуры (наноантенны), похожие на кирпичики с квадратами сверху. У этих антенн есть уникальное свойство: они могут резонировать с падающим на них светом и потом рассеивать его. Наноантенны могут изменять фазу света, при этом сохраняя его интенсивность. Это позволяет им полностью восстанавливать волновой фронт и фазу света, с которым они соприкасаются. Можно покрыть таким материалом объект случайной формы, направить на него свет, и он будет выглядеть совершенно плоским и слившимся с окружением. Таким образом можно скрыть объект от оптической регистрации.

Этот плащ работает, будучи обернутым вокруг трехмерного объекта, – это тоже прорыв по сравнению с предыдущими исследованиями. Он сделан из очень тонкого искусственного материала, способного точно обволакивать объект, подобно ткани или бумаге. Главным преимуществом изобретения является то, что проблема с фазами решена так, что и фазочувствительный прибор не способен «увидеть» плащ, и в дополнение к этому его размеры можно свободно увеличивать. Это технология двухмерного производства.

Плащ состоит из двух слоев. Один слой – подложка – это нечто вроде прорехи между задней плитой и самим плащом, состоящей из фторида магния – прозрачного диэлектрика, используемого для оптического покрытия стеклянных и других линз. Второй слой – это антенны, сделанные из золота, - они похожи на маленькие кирпичики с квадратами сверху, и пропорции квадрата влияют на фазу света. Фторид магния имеет очень низкий коэффициент преломления. Что касается золота, оно относится к группе так называемых плазмонных материалов – металлов, таких как золото, серебро, медь. Интересным их свойством является то, что, если вы направите на них свет, свободные электроны внутри них начнут колебаться. Благодаря этому резонанс может быть очень сильным в случае разных форм.

Поскольку это совершенно новая разработка и эта лаборатория является первой, кому удалось добиться невидимости таким путем, - ученым еще предстоит поработать над масштабированием: несмотря на то, что в теории размеры можно изменять до нужных параметров, сейчас эта возможность по техническим причинам ограниченна. На данный момент производство достаточно большого куска такого материала будет безумно дорого стоить, и в дополнение к этому технология производства также может не выдержать испытания размером. 

Другая проблема состоит в том, что у этих антенн не может быть очень большого угла приема. Это значит, что, несмотря на то, что удается спрятать объект, он по-прежнему находится там и возвышается над поверхностью, а значит, блокирует свет и по этой причине отбрасывает тень, если посмотреть на него из плоскости, в которой он находится. При взгляде под определенными углами это незаметно, однако из определенных положений тень видна.

«Наш плащ до сих пор имеет ограничения по функциональности, мы до сих пор пытаемся их преодолеть и улучшить наше изобретение. Еще много времени пройдет до того момента, когда это устройство станет достаточно большим и доступным» - говорит профессор Синьцзе Ни [6].

2.4.2 Разработка плаща-невидимки Университета Дюка

Ещё одно реальное воплощение «плаща-невидимки» – правда, только для микроволн и для двух измерений, - продемонстрировали Дэвид Смит, Дэвид Шуриг (из школы инжиниринга Пратта университета Дюка (Duke University, Pratt School of Engineering) и Джон Пендри из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London).

Прибор представляет собой широкий (диаметром несколько сантиметров), но очень низкий цилиндр, окружённый рядом концентрических колец из так называемых метаматериалов.

При облучении этого цилиндра точно с ребра (потому учёные и говорят о двухмерности данной технологии невидимости) метаматериалы так отклоняют волны, что после цилиндра форма их фронта почти точно восстанавливается, словно никакого цилиндра нет. Правда, восстановление происходит не полное, но очень близкое к оригиналу.

Новое американское устройство, называемое его авторами «плащом невидимости», является одной из самых сложных структур, сделанной когда-либо из метаматериалов. В качестве ингредиентов создатели «плаща» использовали стеклопластик и медь.

Хотя сокрытие цилиндра в микроволновой области впечатляет, исследователи говорят, что это первый «шаг ребёнка» на пути новой технологии невидимости. Трёхмерный вариант устройства и более совершенная система отклонения волн потребуют дальнейших исследований [7].

2.5 Блеф-стена

Новая вариация технологий невидимости испытана в лабораторных условиях. Правда, небольшое устройство работает только в радиодиапазоне, но его авторы полагают, что главное – демонстрация принципа. В теории его можно распространить и на видимый спектр, хотя это займёт немало времени.

Группа физиков из института электроники Китайской академии наук (Institute of Electronics), университетов Сучоу (Soochow University) и гонконгского научно-технологического (HKUST) построила «невидимые ворота». Система является практически полной противоположностью плащу-невидимке, - передаёт Physics World. Если «плащ» создаёт иллюзию отсутствия реального объекта, то «ворота» формируют впечатление, что объект (в данном случае стена) существует там, где на деле его нет (то есть имеется открытый канал).

Установка основана на сетях из конденсаторов и катушек индуктивности. Они формируют свободный вырез меж двух проводящих стен. Причём одна из них – это метаматериал с отрицательным индексом диэлектрической проницаемости. Сочетание разных метаматериалов формирует на их поверхности плазмоны (волны электронной плотности), которые не позволяют электромагнитному излучению пройти в открытый проём.

Наблюдатель (при условии, что зрение его работает в диапазоне 45-60 МГц) на месте этого проёма увидит продолжение окружающих стенок [8].

2.6 Белок рефлектин 

Рефлектин – это белок, впервые идентифицированный у гавайского короткохвостого кальмара. Рефлектины представляют собой группу белков, богатых ароматическими и серосодержащими аминокислотами, используются некоторыми головоногими моллюсками для изменения окраски кожи [9]. 

Ученые из Калифорнийского университета в Ирвайне удалось встроить белок, найденный в клетках кальмаров в клетки почек человека. Такой метод позволил сделать их невидимыми. 

Для своего эксперимента ученые выбрали кальмара Doryteuthis opalescens. Самки этого вида кальмаров могут превратить белую полосу вдоль спины от непрозрачного белого до почти прозрачного. Они делают это, используя специализированные клетки, называемые лейкофоры, в которых есть частицы, сделанные из белков-отражателей.

В зависимости от того, как расположены эти белки, они могут изменить способ передачи или отражения света вокруг них. И это не случайный процесс: кальмары могут изменять расположение этих высоко преломляющих белков в своих клетках, используя органическое химическое вещество под названием ацетилхолин. Чтобы использовать «сверхспособность» кальмара в тканях человека, исследовательская группа генетически сконструировала клетки почек человека для производства рефлектина. Используя количественную фазовую микроскопию, исследователи показали, что эти белки изменили способ рассеивания света через сконструированные клетки по сравнению с клетками почек без рефлексина. Затем они подвергли клетки воздействию различных уровней хлорида натрия и обнаружили, что они могут регулировать уровни света, проходящего через них, так как соль заставляет частицы отраженного света увеличиваться в размерах и изменять свое расположение. 

Команда говорит, что их успех закладывает основу для включения других особенностей кальмара в клетки млекопитающих. Это также позволит исследователям дополнительно изучить механизмы, лежащие в основе этих способностей [10].

Благодаря принципам, на которых основана функция изменения цвета кожи кальмара, ученые также создали камуфляжное покрытие, эффективно работающее в инфракрасном диапазоне.

Исследовательская группа путем генной инженерии вывела особый штамм бактерий Escherichia coli (кишечная палочка), который интенсивно синтезирует рефлектин. Наработав достаточное количество этого белка, ученые покрыли им поверхность специального полимерного материала и заставили его увеличиться в объеме, обработав парами концентрированной уксусной кислоты.

Утверждается, что в результате обработки пленка полимерного материала обрела способность полного отражения инфракрасного "света". Иными словами, объект, покрытый подобной пленкой, полностью сливается с окружающим фоном и невидим для тепловизора, инфракрасной камеры или прибора ночного видения.

Для использования в военном деле рефлектин может наноситься на поверхность эластичного полимера, покрытого с обратной стороны клейким составом наподобие скотча. Такое покрытие можно будет наклеить как на поверхность формы, так техники различного типа, полностью или частично скрывая ее от инфракрасных средств обнаружения.

До использования ноу-хау в практических целях ученым предстоит увеличить показатель отражения инфракрасных волн, а также разработать технологию производства листов пленки достаточно большой площади [11].

2.7 Разработка Quantum Stealth от компании Hyperstealth 

Несколько лет назад в интернете распространилось видео о новом материале, способном заставить «исчезнуть» различные объекты. Распространителем оказалась компания Hyperstealth Biotechnology Corp., которая презентовала новый материал [12].

С 2012 года Hyperstealth работает с американскими и канадскими военными над разработкой Quantum Stealth – пластиковым листовым материалом, который преломляет свет вокруг объекта, скрывая его из поля зрения. 

Quantum Stealth работает с помощью двояковыпуклых линз, такая технология обычно используется в пластиковых открытках с 3D-эффектом или кино плакатах. В двояковыпуклых линзах ряды цилиндрических линз преломляют свет в соответствии с углом обзора. Компания нашла способ расположить слои этих двояковыпуклых линз таким образом, чтобы «мертвые точки» создавались на определенных расстояниях за материалом. При взгляде спереди объект за материалом не виден, но фон виден. Это создает иллюзию невидимости. Также компания заявляет, что их материал способен улавливать инфракрасное и тепловое излучение. 

Разработчики подчёркивают, что объект «не исчезает», а именно «размывается», поэтому полностью скрыться от наблюдателей в любом случае не получится. [13]. 

Заключение 

Технологии оптической невидимости представляют интерес в основном для военной отрасли, так как эти материалы могут скрыть или исказить потенциальную цель. В остальном применение данной технологии является спорным, потому как есть вероятность использования технологии невидимости в том числе и в противозаконных целях, к примеру, грабителями или в целях шпионажа. В любом случае, пока такие технологии всё ещё находятся на стадии научных исследований, сложно говорить об их реальном практическом применении и коммерческой выгоде.

По словам ученых из инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине, на сегодняшний день новые исследования подтверждают, что невидимость теоретически возможна, однако на практике скрыть объекты от более, чем одной длины волны света одновременно, пока не удавалось. 

Говоря о разработке данной технологии в Республике Казахстан, необходимо отметить, что для этого потребуются определенные материальные вложения, поскольку мы говорим о нанотехнологиях. Также трансформационная оптика – направление науки, которое стало возможным благодаря недавним достижениям в области метаматериалов, предполагает теоретические, экспериментальные, так и технологические исследования. Для этой цели необходимы соответствующие лаборатории с современным оборудованием. 

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий на сегодняшний день являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. 

Не смотря на то, что сегодня в при некоторых университетах Казахстана созданы лаборатории инженерного профиля по направлениям научно-технологического развития, включая развитие нанотехнологий, в стране пока отсутствует сильная школа по созданию и развитию нанотехнологий и наноиндустрии. Эти лаборатории недостаточно обеспечены современным технологическим оборудованием для получения метаматериалов, а также по-прежнему существует дефицит квалифицированных кадров для обеспечения данной отрасли. 

На базе Национальной нанотехнологической лаборатории открытого типа НАО КазНУ им. аль-Фараби уже имеется технология электронной литографии, позволяющая создавать необходимые структуры нанометровых масштабов (от 80 нм) на поверхности материалов. При этом, общая площадь поверхности создаваемых структур не превышает 100-150 мкм (опытные образцы). 

По мнению казахстанских ученых, для создания опытных образцов маскировочных покрытий, таких как Quantum Stealth, необходимо приобретение или создание соответствующей технологии масштабирования.