Ковер и зонтик сделают нас невидимыми

Недавно группе ученых из Великобритании и Германии удалось создать трехмерный универсальный "покров невидимости". Он представляет собой коврик из фотонных кристаллов длиной 90 мкм, шириной 30 мкм и толщиной 10 мкм. Этот чудо-ковер скрывает положенный под него предмет от глаз наблюдателя в целой полосе инфракрасного излучения — от 1400 до 2700 нм.

Фото: Фото: AP

Волшебные сказки всех народов мира постоянно говорят о предметах, вводящих герое в оптические, или зрительные, заблуждения. Это известные всем шапки-невидимки, фантомы, оборотни, призраки и волшебные видения — то есть все, что может скрывать предметы от глаз зрителя или показывать их совсем в другом месте относительно их настоящего расположения. В современном мире немало писателей-фантастов также уделяют проблеме невидимости очень много внимания.

Я думаю, многие из нас читали гениальную повесть Герберта Уэллса "Человек-невидимка" и переживали вместе с главным героем мистером Гриффином все трудности, возникшие после того, как он добился полной невидимости, став "человеком-медузой". Самое интересное, что великий фантаст смог в чем-то опередить науку своего времени и достаточно точно предсказать все-те проблемы, с которыми столкнется изобретатель, который сможет создать предмет, делающий человеческое тело невидимым. Так, как мы помним, Гриффина "обнаруживала" съеденная им пища и табачный дым, поверхность его тела становилась видимой в дождь, туман и снег.

По всей видимости, те ученые, которые работали над проблемой невидимости, учли все трудности уэллсовского "человека-невидимки" и пошли по принципиально другому пути. С самого начала их деятельность была направлена на то, что бы создать некий плащ, который делал бы спрятанный под ним объект невидимым для окружающих.

Несколько лет назад была опубликована серия теоретических работ, в которых доказывалось, что существование плаща-невидимки не противоречит никаким физическим законам. Тогда же впервые появился термин "идеальный плащ-невидимка", означающий устройство, способное делать невидимым какой-либо объект для всего диапазона электромагнитных волн вне зависимости от того, под каким углом (углом обзора) эти волны "освещают" укрываемый предмет.

Читайте также: С глаз долой — под "плащ-невидимку"

Собственно говоря, почему человеческий глаз способен видеть разнообразные предметы? Потому что на них падают солнечные лучи, представляющие собой целый букет электромагнитных волн различной длины и частоты. При этом одни из них поглощаются объектом, а другие, преломляясь, отражаются от него. Именно они-то и создают то изображение предмета, которое мы способны увидеть.

Фото: AP

Но что будет, если световые волны вдруг по каким-то причинам обогнут предмет, не отражаясь от него, а на выходе принимать прежнее направление? Правильно, наблюдатель вместо объекта, защищенного маскирующей оболочкой, увидит то, что находится позади него. Именно так и представляется ученым принцип работы устройства, названного ими "плащ-невидимка".

Из чего же может быть сделан подобный плащ? В 2006 году американские ученые предложили первую модель этой "одежды", которая была составлена из так называемых метаматериалов. Они представляют собой смеси металла, а также керамики, тефлона и волоконных композитов. Частички подобных материалов весьма малы, поскольку для того, что бы волна огибала их, размеры отдельных элементов поверхности плаща-невидимки должны быть намного меньше ее длины.

Изобретатели первого варианта плаща из Университета Дьюка представили широкой публике устройство, делающее предмет невидимым для монохроматического микроволнового излучения (8,5 ГГц). Созданные впоследствии другие подобные устройства, так же как и первый, имели два существенных недостатка: они делали объект невидимым лишь на какой-то определенной длине волны и были двумерными, то есть эффект невидимости достигался только на плоскости. То есть предмет был скрыт от глаз, если посмотреть на него спереди и сверху, но сбоку был виден.

Однако недавно группе ученых из Великобритании и Германии, похоже, удалось изобрести трехмерный "покров невидимости". Эти исследователи преодолели описанные выше проблемы, создав плащ-невидимку, работающий в трех измерениях и не на какой-то определенной длине волны, а в целой полосе инфракрасного излучения — от 1400 до 2700 нм.

Как сообщает издание Science, в качестве метаматериала для изготовления данного варианта плаща использовался так называемый фотонный кристалл, представляющий собой "пучок" микроскопических стержней, свободное пространство между которыми частично заполнялось специальным полимером. Такие ухищрения со структурой плаща создавали необходимые условия для того, чтобы луч непрерывно преломлялся, и его траектория являлась бы гладкой кривой, огибающей скрываемый объект.

Форма плаща больше напоминает не сферическую оболочку, а "ковер" длиной 90 мкм, шириной 30 мкм и толщиной 10 мкм. Такая миниатюрность конструкции обусловлена исключительно трудоемкостью процесса изготовления: для создания фотонного кристалла такого размера исследователи затратили приблизительно 3 часа.

Результаты проведенных экспериментов показали, что данный плащ может полностью скрыть от глаз наблюдателей (ими были роботы, способные видеть объект при инфракрасном излучении) золотую пластинку, размеры которой ненамного меньше самого устройства.

Фото: AP

Кроме того, другим важным результатом проделанной работы: было еще и то, что впервые плащ-невидимка мог скрывать объект от глаз наблюдателя не при освещении его волной электромагнитного излучения какой-то заданной длины, а для целого диапазона, который находится в непосредственной близи от световых волн.

Более того, работа английских и немецких исследователей показала, что нет никаких ограничений для создания плаща-невидимки больших размеров: всё упирается в скорость изготовления метаматериалов (в данном случае — фотонных кристаллов). Поэтому совершенствование нанотехнологических процессов синтеза этих конструкций может привести к появлению плаща-невидимки с более продвинутыми характеристиками — в частности, с возможностью прятать предметы в видимом диапазоне электромагнитного излучения и с увеличенным углом обзора скрываемого объекта.

Параллельно с работами европейских ученых большой прорыв в освоении "невидимости" сделали их китайские коллеги. Им удалось создать устройство, вводящее наблюдателя в оптический обман, то есть создающее заблуждение относительно положения тела в пространстве. При этом наблюдатель видит его изображение не в том месте, где объект находится на самом деле, а в другом (подобный эффект носит название миража).

Как рассчитать оболочку, формирующую эффект миража, впервые предложил американский ученый Джон Пендри в апреле 2007 года. Однако эффект миража у него оказался небольшим: изображение сдвигалось всего на треть длины волны, то есть все еще располагалось внутри оболочки. Но в июне 2010 года китайцам (группе под руководством профессора Вэй Ли из Уханьского технологического университета) удалось предложить оболочку, в которой эффект миража был более значительным: изображение находилось уже вне оболочки.

Читайте также: Миражи "обманывают" даже пеликанов

Устройство, генерирующее миражи, сделано из тех же метаматериалов, однако имеет вид не коврика, а, скорее, колпака или зонтика. Размеры его также микроскопически малы, а процесс изготовления — весьма сложен и трудоемок. Однако уже сейчас китайские исследователи заявляют, что данное "ноу-хау" может быть использовано для создания "обманчивого" покрытия военной техники.

Итак, волшебные плащ и зонтик, обеспечивающие невидимость, похоже, перестают быть сказкой и становятся частью реальности. Однако тех, кто уже предвкушает то, что воспользовавшись подобными вещами, им удастся повторить все безобразия мистера Гриффина, хочу разочаровать — ученые рассчитали, что человек, покрытый плащом-невидимкой, сам ничего увидеть не сможет, кроме своего отражения. Однако, возможно, ученым вскоре будет по силам решить и эту проблему…

Читайте также в рубрике "Наука и техника"