Was ist ein Metamaterial?
Ein Metamaterial ist ein Material mit besonderen Eigenschaften, die sich eher aus seiner Struktur als aus seiner chemischen Zusammensetzung ergeben. Das bekannteste Metamaterial sind Materialien mit einem negativen Brechungsindex, was bedeutet, dass sie die Lichtbiegung "in die falsche Richtung" lenken - das heißt, deutlich mehr als jedes Material mit einem positiven Brechungsindex.
Alle in der Natur vorkommenden Materialien haben einen positiven Brechungsindex. Materialien mit negativem Brechungsindex finden Anwendung in "Superlinsen" - speziellen Linsen mit der Möglichkeit, Merkmale aufzulösen, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind, und möglichen Unsichtbarkeitsmänteln, die sichtbares Licht glatt um ein Objekt lenken, anstatt es auf herkömmliche Weise zu absorbieren oder zu reflektieren. Diese Materialien könnten auch in der Plasmonik verwendet werden, einem exotischen neuen Bereich der Datenverarbeitung, in dem Dichtewellen in Ladungsträgern für Berechnungen genutzt werden.
Die meisten Metamaterialien werden für Anwendungen in Bezug auf Elektromagnetismus und Optik verwendet, wie z. B. Strahllenker, Modulatoren, Bandpassfilter, Linsen usw. Sie wiederholen Gitter zellulärer Komponenten mit einer Zellgröße, die in etwa der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung entspricht sie versuchen mit zu arbeiten. Ein Metamaterial, das zur Umleitung von Mikrowellen entwickelt wurde, würde Zellen im Millimeterbereich aufweisen, während ein Metamaterial, das für optische Anwendungen entwickelt wurde, viel kleinere Zellen im Bereich von 380 nm bis 780 nm aufweisen würde.
Metamaterialien werden häufig mit der Nanotechnologie in Verbindung gebracht, da die winzigen sich wiederholenden Zellstrukturen, die für optische Anwendungen verwendet werden, in Nanometern gemessen werden. Die Herstellung von Metamaterialien erfordert möglicherweise neuartige Herstellungsmethoden, die nur durch Nanotechnologie möglich sind. Mit dem Fortschritt der Nanotechnologie in den kommenden Jahrzehnten werden neue Metamaterialien freigesetzt und ihre Kosten gesenkt.
Es gibt mindestens ein bekanntes natürliches Metamaterial (aber keine natürlichen Metamaterialien mit negativem Brechungsindex): den Opal. Der Opal besteht aus Cristobalit, einem Hochtemperatur-Polymorph aus Quarz und Tridymit, das bei Vulkanausbrüchen entsteht. Das resultierende Material besteht aus einer großen Anzahl winziger Mineralzellen, die ständig in Wechselbeziehung zu anderen Zellen treten. Dadurch entsteht der makroskalige Effekt einer wunderschönen Darstellung mehrerer Farben, allen voran eines brillanten Blaus.