March 24, 2009

隱形材料

我們如何看到東西?
光照射到物體上,而物體會再將光反射至眼睛裡。人類眼睛中的水晶體會使光線
聚焦、成像在充滿感光神經末稍的視網膜上。當神經末稍受光線照射時,會將訊
號經由視神經傳送到腦部。雖然在視網膜形成的像是倒立的,但是我們的腦會將
影像再倒回來。
而所謂的「隱形」就是阻止物體表面光線反射,讓其無法被肉眼
觀測到。

如果說光線不會傳到物體身邊,而被物體所反射,那麼觀測者也不易藉由視覺觀察”看到”物體,換句話說,就像生活中的全反射一樣,光纖’還有水管裡的雷射,而軍事上防雷達的裝置原理亦大同小異,單純的說,即不讓電磁波或微波反射而被雷達偵查到,總而言之,科學家打算利用這種想法製作出所謂的隱形材料,方向是將正面的光線直接傳到背面.

美國杜克大學(Duke University)的研究人員宣佈破解了隱形斗篷的秘密,並已利用成功讓一個面積為5平方英吋的物體躲過了微波探測。
這種隱形技術是透過將物體包裹在一種“超常介質(metamaterial)”中實現的,這種物質會改變微波的方向,使之繞過該物體。杜克大學的研究人員表示,他們希望能夠開發出可以躲過其它類型的電磁輻射的隱形斗篷,讓斗篷所遮蓋的區域甚至可躲過可見光。
杜克大學博士後研究員David Schurig表示:「微波的運動就像水平穩地流過一個光滑的石頭表面一樣。超常介質引導光線繞過物體表面,形成了一個空洞,因此光線就接觸不到或者說“看不到”這個空洞?」
該大學的工程專家指出,非均勻複合材料的電磁特性都可以產生一種折射率可變的物質,阻擋電磁波進入某個區域,因而實現隱形。射到隱形衣的光線“流”過隱藏的物體,繼續向另外的方向傳播。因此,隱形斗篷既不會反射光線,也不會產生影子。

超常介質(metamaterial;或譯超物質)
一種安裝在聚亞醯胺( polyimide)基板上的軟性圓柱狀超常介質材料,以兆赫(terahertz,THz)速度運作。超常介質是一種「次波長(sub-wavelength)」複合材料,可用來合成金屬或是支援電介質(dielectrics)。
上述的超常介質結構是由200mm厚的金與10mm鈦黏著層,在聚亞醯胺基板上所組成;該基板是用液態聚亞醯胺透過旋轉塗佈(spin-coated)法,在塗佈了400nm厚的噴濺氮化矽薄膜的2吋矽晶圓上所形成。
該基板包含了純電子共振器與標準開環共振器(Split Ring Resonator);軟性共振材料依次安裝在聚亞醯胺基板上,以製作大量的多層、非平面電磁複合物。這種複合材料就可用來做為於0.5 THz頻率下能隱形的遮罩。


吸波材料:奈米金屬粉末對電磁波有特殊的吸收作用,可作為軍用高性能毫米波隱形材料、可見光--紅外線隱形材料和結構式隱形材料、手機輻射遮罩材料。
Ex.等離子振子材料
將球形或圓柱形物體用等離子振子材料覆蓋後,它散射光的能力非常低。以合適
波長的光照射時,物體就會顯得極小,基本上看不見。
研究人員說,金屬材料表面的電子有規律地運動時,會產生電子密度波,稱為「等
離子體振子」。以等離子體振子材料制成的外殼,在入射光頻率與等離子體振子
共振頻率接近時,幾乎不散射光線。
正在研究的「等離子罩」,大自然已經提供了合適的等離子體振子材料:金和銀。
由金銀等合成金屬打造,它能夠吸收、消化掉大多數射到物體表面的可見光。
因為當可見光線照此合成金屬時,金屬產生的電子波或等離子波的頻率與可見光
波的相等,兩者產生共振,波的頻率將互相抵消。在這樣的狀況下,該金屬物體
表面將不會反射任何一絲可見光,便能呈現真正的「隱形」。此時,無論從哪個
方向和角度觀察這一物體,它都不會露出馬腳。

目前面臨的瓶頸
1.為達到完全隱形的效果,透過離被隱形物體最近的光波,必須以超過相對論
的「光速極限」(註:在愛因斯坦的相對論中,光速無法被超越。)的方式偏轉。
幸運的是,愛因斯坦的理論允許平滑光脈衝經歷這樣的轉變。
2.隱形效果只對特殊範圍的波長有作用,只能在非常小的頻率範圍內發揮效果。
所以要做出能夠應付所有可見光波長——從紅光到紫光的「萬能隱形罩」,目前
還無法發明出來。
3.防護罩可用於覆蓋任何形狀的物體,但不能飄動。移動的物體會破壞隱形效
果。
4.研製出針對雷達的隱形材料還相對容易,其內部結構用毫米計算即可。但要
研製出針對視覺的隱形材料,則難度很大,其結構必須是納米(註:十億分之一
米)級別的。此外,科學家還要考慮使潛艇和軍艦等更重更大的物體隱形
5.內部的人看不到外面的東西,一個完美的成品可使所有光線都’繞道’,即光線亦照不到內部,當然不可能看見.

現今的隱形技術大致上約如此,大多只侷限於同一個概念,單純作更進一步的改良和修正,或許有更好的方法或者是嶄新的概念,有待各位的表現.

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