Eine neue künstliche Materialklasse mit maßgeschneiderten elektromagnetischen Eigenschaften, sogenannte Metamaterialien, versprechen hoch interessante physikalische Spezialeffekte. So können sie beispielsweise elektromagnetische Wellen, zu denen auch das sichtbare Lichtspektrum zählt, durch einen negativen Brechungsindex gezielt auf neuen Bahnen um Objekte herumleiten. Die Materialien funktionieren somit quasi als „Tarnkappe“ und lassen die Gegenstände unsichtbar erscheinen.
Solche Tarnkappen wurden für Mikrowellen bereits realisiert. Die Schwierigkeit war bisher jedoch, dass die Metamaterialien hauchfeine Strukturelemente aufweisen müssen, deren Größe der gewünschten Wellenlänge entsprechen muss. Dies ist für langwelliges Licht naturgemäß einfacher zu realisieren, beim kurzwelligen Licht jedoch äußerst schwierig. Zwar gelang es Wissenschaftlern der University of St. Andrews in North Haugh im November 2010 erstmals, mit einem flexiblen Film aus Nanoröhrchen eines Metamaterials kleine Objekte auch im für das menschliche Auge sichtbaren Lichtspektrum verschwinden zu lassen. Allerdings sind die hierfür erforderlichen nanotechnologischen Methoden mit einem hohen Aufwand verbunden.
Fortschritt bei Metamaterialen für optische Tarnkappen
An der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) gelang es einem Team um Professor Heinz Langhals nun, Metamaterialien aus organischen Molekülen zu entwickeln, die deutlich effizienter hergestellt werden können als entsprechende metallische Leiter und deren Strukturen zudem kleiner und variationsreicher sind. Die für die Metafunktion wichtige Geometrie wird dabei auf chemischem Weg erreicht.
Lichtstrahlen im Rückwärtsgang
„Wir verwenden sogenannte konjugierte Bindungssysteme. Hier können sich die Elektronen innerhalb von organischen Molekülen frei bewegen“, so Professor Langhals. Die erforderlichen elektromagnetischen Resonanzen werden durch die Chromophore ermöglicht, also den farbgebenden Teil eines Moleküls: Chromophore können elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich resonant absorbieren. In den neu entwickelten Molekülen werden nun zwei parallele chromophore Elektronensysteme mit einem nichtleitenden Zwischenstück verbunden. Diese spezielle räumliche Anordnung verändert die Lichtbrechung der neuen Materialien und ermöglicht ganz neue Effekte: Wird durch die Anordnung ein negativer Brechungsindex erzielt, wird das Licht genau andersherum gebrochen als normal und legt quasi den Rückwärtsgang ein. „So könnten Metamaterialien Lichtstrahlen um ein Objekt herumleiten und es scheinbar verschwinden lassen“, erklärt Professor Langhals.
Mit den neuen organischen Metamaterialien ist der optische Tarnmantel zwar noch nicht fertig, aber die Grundlagen wurden geschaffen. Sie sind wie das Garn, aus dem dann das Gewebe des Tarnmantels hergestellt werden kann. Dieses „Gewebe“ könnte laut Langhals möglicherweise durch geeignete flüssigkristalline Strukturen aufgebaut werden.
An einer weiteren Optimierung der Metamaterialien wird gearbeitet. „Diese Materialien versprechen zahlreiche neue Möglichkeiten, die insbesondere im optischen IT-Bereich vielleicht sogar viel interessanter werden als eine einfache Tarnfunktion, wie z.B. die Entwicklung von hauchdünnen optischen Linsen. Die weitere Entwicklung wird auf jeden Fall spannend“, schließt Langhals.
(mb)
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