metamaterialen

Metamaterialen zijn kunstmatig samengestelde materialen waarvan de macroniveau-eigenschappen voornamelijk voortkomen uit hun structuur in plaats van uit de chemische samenstelling. De eenheden waaruit ze bestaan zijn meestal kleiner dan de golflengte waarmee ze samenwerken, waardoor de materialen zich als homogeen media kunnen gedragen. Door gerichte architectuur kunnen effectieve parameters zoals permittiviteit, permeabiliteit of elasticiteitsmodulussen worden ontworpen die in de natuur zelden voorkomen.

Een kerneigenschap van metamaterialen is dat de respons ontstaat uit resonante structuren en de onderliggende geometrie, niet uit de chemische samenstelling van de stof. Veel ontwerpen gebruiken micro- of nanostructuren zoals split-ring resonatoren, periodieke kluwen van geleiders of holtes. Dit kan leiden tot fenomenen zoals negatieve refractie, bandgap-gebieden of sterke anisotropie, en vaak geldt dat de bijzondere eigenschappen waarneembaar zijn voor golven met lengtes groter dan de structuurafmetingen.

Toepassingen richten zich op elektromagnetische en akoestische golven. In de elektromagnetische hoek zijn metamaterialen onderzocht voor superlenzen, cloaking (onzichtbaar maken), en verbeterde antennes of radarsystemen. In de akoestiek en elastodynamica worden ze gebruikt om geluid of trillingen te controleren, om luidsprekerarrays te verbeteren of voor seismische barrières en aangepaste stijfheden. De techniek biedt ook kansen in microwave- en terahertz-toepassingen.

Historisch ontstond het concept in de jaren zestig met Veselago’s theoretische voorspelling van negatieve refractie; bevestiging volgde in experimentele studies begin jaren 2000. De veldnaam blijft groeiend, maar uitdagingen zoals verlies, beperkte bandbreedte en fabricage op grote schaal beperken nog praktische toepassingen.