متامواد 3-بعدی
3D metamaterials (تاریخ انتشار، 31 January 2019)
#متامواد، ترکیب‌هایی هستند که دارای خواص به مراتب بهتر و کاملاً متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده خود هستند. برای نمونه، خواص منفی (معکوس) متامواد مانند ضریب شکست نور، ضریب انبساط حرارتی یا ضریب هال، را می‌توان با استفاده از موادی بدست آورد که دارای شاخص‌های مثبتی در این خواص هستند که در واقع مهندسی خواص نامیده می‌شود. به همین ترتیب، می‌توان خواص قابل توجهی را در ترکیب متامواد نهایی ایجاد کرد، با استفاده از موادی که هیچ قابلیتی در آن خاصیت ندارند، برای نمونه می‌توان با استفاده از چندین مادۀ غیرمغناطیسی، یک متامواد مغناطیسی را ساخت. زمینه متامواد در دو دهه قبل از الکترمغناطیسم خطی ظاهر شد و امروزه تقریبا تمام جنبه‌ها و خواص ملموس جامدات را پوشش می‌دهد که شامل الکترمغناطیس، خواص نوری، مکانیکی، صوتی و قابلیت انتقال — خطی یا غیرخطی، معکوس یا غیرمعکوس، monostable و multistable (برنامه پذیر)، فعال یا منفعل، و ایستا و متغیر، می شود. اخیراً یک مقاله مروری بسیار مهم در زمینه متامواد 3-بعدی در مجله Nature Reviews Physics منتشر شده است که بسیار بسیار مهم است و تمام جنبه‌های مهم این زمینه را پوشش می‌دهد. این مقاله عمدتا بر متامواد 3-بعدی متناوب تمرکز دارد و خواص الکترومغناطیسی، صوتی، مکانیکی، یا انتقالی آن‌ها را بررسی می‌کند. علاوه بر آن، به موادی که خواص هوشمند دارند و با توجه به حضور محرک در محیط (Stimuli) تغییر خواص می‌دهند و به عنوان مواد هوشمند (Smart Materials) یا مواد برنامه پذیر شناخته می‌شوند، می‌پردازد. در این مقاله اصول این ترکیب‌ها بیان شده و جدیدترین پیشرفت‌ها در طراحی از طریق شبیه سازی و نیز کارهای تجربی در رابطه با متامواد، ارائه شده است. چندین نکته از این مقاله به این ترتیب هستند:
1- متامواد، موادی هستند که از چندین واحد ساختاری ساخته شده و بسط یافته‌اند و از طریق تلفیق هوشمند خواص مواد تشکیل دهنده، خواصی فراتر از آن‌ها ایجاد می‌شود.
2- متامواد می‌تواند رویای طراحی مواد از طریق کامپیوتر برای جلوگیری از سعی-و-خطا در روش‌های تجربی را محقق کند.
3- گرچه ساختارهای 1-بعدی و 2-بعدی فراوانی با خواص متامواد ساخته شده‌اند، برای استفاده کامل از مزیتِ فوق‌العاده متامواد، بایستی بتوان نانوساختارها و مایکروساختارهای 3-بعدی متامواد را ساخت.
4- در زمینه الکترمغناطیسم و اپتیک (خواص نوری)، مثال‌های خواص متامواد، ایجاد دیامغناطیسم و پارامغناطیسم قوی تا فرکانس‌های نوری، انطباق امپدانس و دوگانگی، ضریب شکست منفی نور، حداکثر کایرالیتی الکترومغناطیسی (electromagnetic chirality)، جذب کامل نور و انتشار غیر-معکوس امواج الکترومغناطیس در عدم حضور میدان‌های مغناطیسی ثابت، هستند.
5- در زمینه مکانیکی و صوتی، مثال‌های خواص متامواد انعطاف‌پذیری کامل در بسط پارامترهای الاستیک، رفتار مکانیکی کایرال، علامت معکوس ضریب تراکم پذیری، دانسیته جرم متغیر منفی، انتشار معکوس صوت، جذب کامل صوت پهن-باند، و چندین مورد دیگر، هستند.
6- در انتقال و هدایت الکترونی، مثال‌های خواص متامواد، انتقال حرارت شدیداً ناهمسانگرد، علامت معکوس تحرک‌پذیری الکترونی و ضریب هال، تانسورهای بسیار ناهمسانگرد هال، ضریب توان ترموالکتریک بسیار بزرگ، هستند.
7- متاموادی که در آینده ساخته خواهد شد، احتمالا بسیاری از خواص متامواد را خواهند داشت در حالی که با استفاده از یک یا دو ماده می‌توان به بی نهایت ترکیب متفاوت از متامواد دست یافت- مانند پرینترهای 2-بعدی که با ترکیب 3 رنگ اصلی می‌توانند بی‌نهایت رنگ و شکل را به تصویر بکشند.
زمینه متامواد و توسعه مواد از طریق شبیه سازی، از اهمیت بالایی برخوردار است و موضوع داغی در زمینه مهندسی مواد و علوم بین رشته‌ای محسوب می‌شود. توصیه می‌شود که این مقاله را بخوانید تا نسبت به موضوع‌های جدید دید بهتری پیدا کنید و در آینده متعجب از تغییرات شدید در زمینه مواد و توسعه مواد جدید نگردید، یا سرفصل‌هایی که به پروژه‌های شما مربوط می‌شود را مرور کنید.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes-مترس)
