Skąd się bierze fatamorgana? Co mają wspólnego ze sobą nanorurki węglowe i fatamorgana? Czy będąc na pustyni możemy być niewidzialni? A może to nanotechnologia ma kolejny pomysł jak uszyć nam pelerynę niewidkę? Zapraszamy do lektury!

Jak porusza się światło?

Odpowiedź na to pytanie poznaliśmy już w części pierwszej, jednak przypominając: światło pędzi przed siebie z zawrotną prędkością i zawsze będzie znajdować najszybszą drogę z możliwych (to zasada Fermata). Światło na przykład w szkle porusza się 1,6 razy wolniej niż w próżni (czyli tam, gdzie nie ma nawet powietrza). Wielkością która opisuje jak wolno porusza się światło jest współczynnik załamania światła. Jest równy zatem 1,6 dla szkła (oraz 1 dla próżni). W poprzednim wpisie tworzyliśmy metamateriały o wybranym współczynniku załamania światła tak, aby światło przechodząc przez metamateriał zaginało się wokół obiektu, który chcemy schować. Dzisiaj jednak zaprojektujemy taką pelerynę, która zagnie światło zanim ono do niej dotrze!

To gdzie jest ta oaza?

Na pustyni nikomu ani niczemu nie można wierzyć. W szczególności temu, co się widzi w oddali. Mam na myśli fatamorganę. Fatamorgana polega na tym, że widzi się obiekty takie jak oazy czy miasta tam, gdzie ich nie ma. To jednak nie są halucynacje! Fatamorgana to zjawisko fizyczne, a obiekty które widać rzeczywiście istnieją, tylko że wiele kilometrów lub dziesiątek kilometrów dalej niż nam się wydaje.

Jak to działa? Spójrzmy na Rys. 1. Rozgrzewany przez słońce piasek powoduje, że powietrze przy powierzchni Ziemi się rozgrzewa. Powietrze wyżej jest chłodniejsze. Rozgrzane powietrze jest bardziej rzadkie, chłodniejsze powietrze jest bardziej gęste. Okazuje się, że światło lubi rzadsze powietrze, bo porusza się w nim szybciej (współczynnik załamania jest mniejszy) niż w gęstym chłodnym powietrzu. Aby sobie to wyobrazić: jeśli przejście światła przez rzadkie, gorące powietrze przyrównać do płynięcia w wodzie, to przejście światła przez gęste, chłodne powietrze można przyrównać do płynięcia w miodzie. Po prawej stronie postawmy na piasku jakiś obiekt. Po lewej jest człowiek. Gdyby powietrze było wszędzie tak samo nagrzane i co za tym idzie tak samo gęste, to światło poruszałoby się po najkrótszej linii prostej (przerywana linia na górze). Powietrze jednak nie jest wszędzie tak samo gęste, a światło zawsze wybiera najszybszą drogę od obiektu do nas (niekoniecznie najkrótszą). Ponieważ światło szybciej się porusza w nagrzanym powietrzu, to tor ruchu tego światła odgina się w dół.

Co z tego, że światło porusza się po łuku, a nie po prostej? Porównamy to do sztandarowego żartu ze szkoły podstawowej: Siedzisz koło swojego kolegi i ostrożnie, dyskretnie trzymając rękę za jego plecami nagle zaczepiasz go palcem z prawej strony (a Ty siedzisz po jego lewej stronie). Kolega odruchowo się odwróci tam, skąd wydaje się mu, że ktoś go zaczepił (czyli na prawo), podczas gdy Ty nie umiesz powstrzymać się od śmiechu. Wyginając swoją rękę i zaczepiając kolegę z innej strony udało Ci się go oszukać! Podobnie w naszej sytuacji robi światło – wyginając swoją drogę „zaczepia” nas z innego kierunku, zatem wydaje nam się, że cały obiekt jest zupełnie gdzie indziej, niż naprawdę jest.

Dobrze, ale jak to się ma do niewidzialności? Wyobraźmy sobie, że promienie wyginają się jeszcze bardziej, tak jak na Rys. 2:

Wtedy światło pochodzące od obiektu nigdy do nas nie dotrze! Co oznacza, że nie zobaczymy tego obiektu. Potrzebujemy jednak czegoś bardziej efektywnego i bardziej poręcznego niż pustynia z rozgrzanym piaskiem.

Małe nanorurki, wielka gigamoc.

Naszym zamiennikiem piasku będą nanorurki węglowe. Rzeczywiście są to rurki zbudowane węgla o średnicy pojedynczych nanometrów i właściwościach idealnych do naszego zastosowania. Na Rys. 3. przedstawiono, jak wyglądają. Nanorurki węglowe mogą być jednościenne bądź wielościenne. Nanorurki jednościenne składają się z pojedynczej warstwy atomów węgla, podczas gdy wielościenne można sobie wyobrazić jako kilka nanorurek jednościennych włożonych jedna w drugą.

Jakie to idealne właściwości? Chcemy materiału, który bardzo dobrze i szybko będzie ogrzewał otaczające go powietrze. Nanorurki bardzo dobrze przewodzą prąd (lepiej niż miedź) i ciepło (lepiej niż diament i metale) oraz bardzo dobrze oddają ciepło powietrzu. Pozwala to na kontrolowane ogrzewanie elektryczne nanorurek. Dodatkowo z nanorurek można otrzymać bardzo lekkie i wytrzymałe zarazem materiały, które dodatkowo są przezroczyste. Materiał idealny na pelerynę niewidkę.

Niech światło tańczy, jak mu zagramy.

Samo ogrzewanie powietrza jednak jest mimo użycia nanorurek bardzo mało efektywne i promienie świetlne wyginałyby się tylko w niewielkim stopniu. Aby zwiększyć kąt wygięcia należy… zagrać światłu melodię niczym zaklinacz węży, który za pomocą melodii powoduje, że węże wyginają się i tańczą. Aby spowodować wygięcie światła, tak jak zauważyliśmy, potrzebujemy, aby obok siebie były warstwy rozrzedzonego i gęstego powietrza. Takie warstwy rozrzedzonego i gęstego powietrza, które są na przemian ułożone i które lecą przed siebie to dźwięk. To, co my słyszymy to zaburzenie powietrza (czyli dźwięk). Słyszymy, że powietrze chwilowo na przemian się zagęszcza i rozrzedza.

Wytworzyć dźwięk można znów za pomocą nanorurek – wystarczy nie nagrzewać ich cały czas, tylko przez chwilę regularnie co jakiś czas. Każde takie pojedyncze nagrzanie spowoduje, że powietrze wokół się ogrzeje i rozrzedzi. Następnie przestajemy ogrzewać, więc powietrze znów się staje gęstsze. I znów nagrzewamy – powietrze staje się rzadsze, przestajemy – powietrze staje się gęstsze i tak na zmianę. Tak tworzymy dźwięk, dzięki któremu dodatkowo ugniemy światło.

Takie podwójne działanie (nagrzewanie i wysyłanie dźwięku) pozwala zmienić tor ruchu światła o kilka stopni. Jest to już wystarczająco dużo, aby stać się niewidzialnym dla obserwatorów, którzy będą wystarczająco daleko.

Udało się już taki materiał z nanorurek otrzymać! Na Rys. 4 przedstawiono arkusz z nanorurek (w centrum) podłączony do źródła prądu elektrycznego. Po lewej ten arkusz widać, ale gdy włączymy zasilanie, to arkusz po prawej przestaje być widoczny!

Podsumowując

Dzisiaj wykorzystaliśmy złudzenie optyczne do tego, aby wykombinować kolejny sposób na pelerynę niewidkę. I to nie jest jeszcze koniec! W następnym wpisie przedstawimy kolejny pomysł na to, jak stać się niewidzialnym. Zapraszamy do komentowania i widzimy się za dwa tygodnie!

Bibiliografia

[1] Aliev, A. E., Gartstein, Y. N., & Baughman, R. H. (2011). Mirage effect from thermally modulated transparent carbon nanotube sheets. Nanotechnology, 22(43), 435704.doi:10.1088/0957-4484/22/43/435704