Metamaterial

Ein Metamaterial ist ein Werkstoff, dessen Eigenschaften nicht aus seinen Bestandteilen folgen, sondern aus deren Anordnung. Die griechische Vorsilbe meta bedeutet „jenseits" — gemeint ist: jenseits dessen, was die Natur an Materialien bereithält.

Der Gedanke ist einfach und weitreichend zugleich. Ordnet man kleine Strukturen in einem Muster an, das deutlich feiner ist als die Wellenlänge, mit der man sie bestrahlt, dann „sieht" die Welle nicht die Einzelteile, sondern ein Material mit gemittelten Eigenschaften. Diese gemittelten Eigenschaften lassen sich durch die Geometrie einstellen — und sie können Werte annehmen, die kein natürlicher Stoff besitzt.

Der negative Brechungsindex

Das bekannteste Beispiel ist ein negativer Brechungsindex. Der sowjetische Physiker Wiktor Wesselago überlegte 1968 theoretisch, was geschähe, wenn ein Material zugleich negative Permittivität und negative Permeabilität besäße: Licht würde beim Eintritt in die falsche Richtung gebrochen.

Ein solches Material war damals nicht bekannt. Dreißig Jahre später beschrieb John Pendry, wie man es bauen könnte, und im Jahr 2000 zeigte eine Gruppe um David R. Smith an der University of California, San Diego, den Effekt experimentell im Mikrowellenbereich — mit einem Gitter aus dünnen Drähten und geschlitzten Ringresonatoren.

Seitdem sind Metamaterialien ein eigenes Forschungsfeld. 2006 gelang eine erste Tarnvorrichtung für Mikrowellen, die ein Objekt für eine bestimmte Frequenz gleichsam umfließen ließ.

Wofür sie eingesetzt werden

Metamaterialien sind längst nicht mehr nur eine Laborkuriosität:

Antennen — kompakte Bauformen mit Richtwirkung, die klassisch mehr Platz bräuchten
Akustik — Schallschutz, der bestimmte Frequenzen gezielt sperrt
Optik — Linsen, die feiner auflösen, als es die klassische Beugungsgrenze erlaubt
Mechanik — Werkstoffe, die sich beim Ziehen verdicken statt zu verjüngen
Wärme — Anordnungen, die Wärmeströme lenken

Gemeinsam ist allen: Die Funktion steckt in der Struktur, nicht im Stoff.

Bezug zur Neutrinovoltaik

Für die Neutrino® Energy Group ist dieser Gedanke zentral. Die Neutrinovoltaik beruht nicht auf einem besonderen Element, sondern auf einer besonderen Schichtung: abwechselnde Lagen aus Graphen und Silizium im Nanometerbereich, nach Patent WO2016142056A1 zehn bis zwanzig davon, insbesondere zwölf.

Auch hier gilt das Prinzip des Metamaterials: Weder Kohlenstoff noch Silizium tun einzeln etwas Bemerkenswertes. Die Erwartung richtet sich auf das Gitter, das sie gemeinsam bilden — und darauf, dass dieses Gitter in dieser Form in der Natur nicht vorkommt.

Für die Karosserie des Pi Car sind Metamaterialien ebenfalls vorgesehen. Die Gruppe beschreibt sie dort als Mittel, um Umgebungsflüsse in mechanische Mikroschwingungen zu übersetzen, die zusammen mit den dotierten Nanoschichten Resonanz erzeugen.

Warum die Struktur so viel ausmacht

Ein Bild hilft. Ein Ziegelhaus und ein Ziegelweg bestehen aus demselben Material; das eine hält warm, das andere trägt Gewicht. Der Unterschied liegt allein in der Anordnung.

Bei Metamaterialien ist es dasselbe, nur eine Million Mal kleiner — und die Anordnung entscheidet nicht über Wärme oder Traglast, sondern darüber, wie eine Welle oder ein Teilchen mit dem Stoff wechselwirkt. Dass sich diese Wechselwirkung gestalten lässt, statt sie hinnehmen zu müssen, ist der eigentliche Gewinn.

Quellen

W. G. Wesselago: The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ, Soviet Physics Uspekhi 10, 509 (1968).
D. R. Smith u. a.: Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84, 4184 (2000).
Neutrino® Energy Group: The Pi Car, thepi.energy.