PL231178B1

PL231178B1 - Sposób otrzymywania materiału o ujemnym współczynniku załamania i jego zastosowanie

Info

Publication number: PL231178B1
Application number: PL409727A
Authority: PL
Inventors: Karen OGANISIAN; Karen Oganisian; Wiesław STRĘK; Wiesław Stręk
Original assignee: Inst Niskich Temperatur I Badan Strukturalnych Im Wlodzimierza Trzebiatowskiego Polskiej Akademii Na
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2019-01-31
Also published as: WO2016056928A1; PL409727A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania materiału o ujemnym współczynniku załamania i jego zastosowanie.

Materiał o ujemnym współczynniku załamana jest rodzajem materiału, który dzięki połączeniu materiałów składowych wykazuje szczególne właściwości elektromagnetyczne takie, jak między innymi ujemny współczynnik załamania.

Według teorii lewoskrętnej opracowanej przez Veselago [1] materiały charakteryzują się ujemnym współczynnikiem załamania n (określany także jako materiał lewoskrętny) o ile przenikalność dielektryczna ε i magnetyczna μ są ujemne we wspólnym obszarze częstotliwości pola elektromagnetycznego. Główną osobliwością takich materiałów jest to, że one cechują się niekonwencjonalną propagacją fali elektromagnetycznej, czyli fala elektromagnetyczna propaguje wewnątrz materiału w tej samej półpłaszczyźnie w której się pada, jak pokazano na Fig. 1.

Smith [2] po raz pierwszy pokazał eksperymentalnie, że takie materiały mogą być wytworzone w postaci sztucznie zaprojektowanych struktur zbudowanych z okresowo ułożonych drutów, pierścieni i kratownic, pozwalających uzyskać ujemny współczynnik załamania przez specjalne dobrane wymiary elementów i ich własności.

W stanie techniki znane są różne sposoby wytwarzania metamateriałów, czyli materiałów wytworzonych sztucznie, które posiadają własności nie występujących w naturalnie powstających materiałach, na przykład ujemny współczynnik załamania. Międzynarodowe zgłoszenie patentowe WO 2013091583A1 ujawnia sposób otrzymywania metodą „fleksybilną” wielowarstwowego metamateriału działającego w zakresie podczerwieni. Z kolei w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US 20100314040 A1 opisano metodę otrzymywania warstwowego metamateriału składającego się z warstw nanorozmiarowych elektrycznych rezonatorów ułożonych jedną na drugą. Natomiast w amerykańskim patencie US 7799663 B2 ujawniono sposób otrzymywania półprzewodnikowego metamateriału składającego się z porowatej mikrostruktury zrobionej z półprzewodnika.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US 20140131559 A1 opisano metodę otrzymywania „metamateriału do obrazowania” bazującego się na rezonatorach i soczewkach, gdzie zastosowano odpowiednią strukturę odpowiednio powiązanych segmentów i przerw.

W stanie techniki nie są znane naturalne materiały, a dokładniej materiały naturalnego pochodzenia, składające się ze związków chemicznych, które mogą demonstrować ujemny współczynnik załamania. Wszystkie rozwiązania ze stanu techniki przytoczone w niniejszym opisie choć pozwalają otrzymywać ujemny współczynnik załamania, to opierają się o materiały o sztucznym pochodzeniu.

Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie sposobu otrzymywania naturalnego materiału o ujemnym współczynniku załamania oraz możliwości jego zastosowania.

Przedmiotem rozwiązania według wynalazku jest sposób otrzymywania naturalnego materiału o ujemnym współczynniku załamania charakteryzujący się tym, że miesza się co najmniej dwa związki chemiczne w postaci sproszkowanej, gdzie jeden związek posiada ujemne wartości przenikalności magnetycznej w zakresie od 100 MHz do 1 GHz zaś drugi związek posiada ujemne wartości przenikalności dielektrycznej przy zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych od 500 MHz do 1 GHz, po czym mieszankę związków poddaje się prasowaniu wstępnemu w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem od 0,1 do 0,5 GPa, a następnie powstałą wypraskę poddaje się prasowaniu zasadniczemu w temperaturze od 20 do 2000°C pod ciśnieniem od 0,5 do 8 GPa., otrzymując materiał o ujemnym współczynniku załamania w zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych od 500 MHz do 1 GHz.

Mieszanie związków prowadzi się aż do uzyskania homogennej mieszaniny, sposobami znanymi znawcom dziedziny, najczęściej poprzez ucieranie związków wejściowych w moździerzu, przy czym inne sposoby uzyskiwania jednorodnej mieszaniny są również objęte zakresem niniejszego wynalazku.

Sposób wytworzenia naturalnego materiału o ujemnym współczynniku załamania według wynalazku podzielony jest na następujące etapy:

a) mieszanie związków wyjściowych w postacie sproszkowanej, z których przynajmniej jeden we wspólnym obszarze częstotliwości ma ujemne wartości przenikalności dielektrycznej, a drugi związek ma ujemne wartości przenikalności magnetycznej, w moździerzu agatowym lub innym sposobem uzyskiwania jednorodnej mieszaniny, aż do uzyskania jednorodnej mieszaniny;

PL 231 178 B1

b) mieszaninę związków poddaje się wstępnemu prasowaniu w temperaturze pokojowej (około 20°C) pod ciśnieniem od 0,1 do 0,5 GPa.

c) uzyskaną wypraskę umieszcza się w naczyniu odpornym na wysoką temperaturę i ciśnienie (zazwyczaj stosuje się do tego celu toroid (CaCO3) z grafitowym grzejnikiem) i poddaje się zasadniczemu prasowaniu w temperaturze od 20 do 2000°C pod ciśnieniem od 0,5 do 8 GPa.

Naturalny materiał o ujemnym współczynniku załamania otrzymany sposobem według wynalazku składa się z jednorodnej mieszaniny przynajmniej dwóch rodzajów związków. Korzystnie, gdy w materiale według wynalazku udział związku który posiada ujemne wartości przenikalności elektrycznej lub ujemne wartości przenikalności magnetycznej mieści się w zakresie 10-90% masy wagowej. Ujemne wartości przenikalności magnetycznej metamateriału powstają na skutek rezonansu ferromagnetycznego, powstającego wyłącznie w materiałach ferro/ferrimagnetycznych przy częstotliwościach do 1 GHz, czyli w zakresie krótkich fal i mikrofal.

Materiał otrzymany sposobem według wynalazku znajduje zastosowanie jako osłona elektromagnetyczna, antena, absorber, supersoczewka lub filtr fal elektromagnetycznych. Materiał otrzymany sposobem według wynalazku można również zastosować w innych technologiach, gdzie obecność materiału o ujemnym współczynniku załamania jest pożądana.

Na Fig. 1 rysunku przedstawiono propagację fali elektromagnetycznej w zwykłych (convetional) i lewoskrętnych („left-handed”) materiałach. Fala elektromagnetyczna propaguje wewnątrz materiału w tej samej półpłaszczyźnie w której się pada.

Na Fig. 2 rysunku przedstawiono zależność przenikalności dielektrycznej lewoskrętnego materiału w zakresie częstotliwości od 10 MHz do 1 GHz. W częstotliwości powyżej 500 MHz wartości przenikalności dielektrycznej są ujemne.

Na Fig. 3 rysunku przedstawiono zależność przenikalności magnetycznej lewoskrętnego materiału w zakresie częstotliwości od 10 MHz do 1 GHz. W częstotliwości powyżej 100 MHz wartości przenikalności magnetycznej są ujemne.

Wynalazek jest przedstawiony bliżej w przykładach wykonania, które nie ograniczają jego zakresu.

P r z y k ł a d 1

W moździerzu agatowym umieszczono Grafen (G) oraz heksoferryt barowym (BaO-6Fe2C3) w stosunku wagowym 1:1. Następnie składniki ucierano przez około 15 minut, aż do czasu uzyskania homogennej mieszaniny. Tak uzyskaną mieszaninę poddano wstępnemu prasowaniu na zimno w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 0.2 GPa. Sprasowany materiał w formie wypraski o kształcie pastylki umieszczono w toroidzie (CaCO3,) z grafitowym grzejnikiem i poddano zasadniczemu prasowaniu w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 8 GPa. Otrzymany materiał poddano dalszej obróbce poprzez szlifowanie i polerowanie. Otrzymany materiał poddano badaniom w wyniku których okazało się, że wartości przenikalności dielektrycznej materiału są ujemne w zakresie od 500 MHz do przynajmniej 1 GHz, zaś wartości przenikalności magnetycznej materiału są ujemne w zakresie częstotliwości od 100 MHz do przynajmniej 1 GHz. W rezultacie współczynnik załamania uzyskanego materiału jest ujemny w zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych od 500 MHz do przynajmniej 1 GHz.

P r z y k ł a d 2

Grafit (C) zmieszano z ferrytem manganowo cynkowym (MnZnFe2O3) w stosunku wagowym 1:1 i poddano prasowaniu sposobem opisanym w przykładzie 1.

Otrzymany materiał poddano badaniom w wyniku których okazało się, że wartości przenikalności dielektrycznej materiału są ujemne w zakresie od 500 MHz do przynajmniej 1 GHz, zaś wartości przenikalności magnetycznej materiału są ujemne w zakresie od 200 MHz do przynajmniej 1 GHz częstotliwości. W rezultacie współczynnik załamania uzyskanego materiału jest ujemny w zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych od 500 MHz do przynajmniej 1 GHz.

Literatura:

[1] V. G. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of s and μ, Sov. Phys.-Usp. 10, 509-514 (1968).

[2] D. R. Smith, Willie J. Padilla, D. C. Vier, S. C. Nemat-Nasser, and S. Schultz, Phys. Rev. Lett., 84 [18], 4184-4187 (2000).

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania materiału o ujemnym współczynniku załamania znamienny tym, że miesza się dwa związki chemiczne w postaci sproszkowanej, gdzie jeden związek posiada ujemne wartości przenikalności magnetycznej w zakresie od 100 MHz do 1 GHz zaś drugi związek posiada ujemne wartości przenikalności dielektrycznej przy zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych, od 500 MHz do 1 GHz, po czym mieszankę związków poddaje się prasowaniu wstępnemu w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem od 0,1 do 0,5 GPa, a następnie powstałą wypraskę poddaje się prasowaniu zasadniczemu w temperaturze od 20 do 2000°C pod ciśnieniem od 0,5 do 8 GPa., otrzymując materiał o ujemnym współczynniku załamania w zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych od 500 MHz do 1 GHz.
2. Zastosowanie materiału otrzymanego sposobem według zastrzeżenia 1 jako osłona elektromagnetyczna, antena, absorber, supersoczewka, filtr fal elektromagnetycznych.