Jak metamateriály ovlivňují absorpci elektromagnetických vln a jejich aplikace

Metamateriály, které jsou uměle navržené materiály s vlastnostmi, které se liší od těch v přírodě, našly široké uplatnění v různých oblastech, od telekomunikací až po obranu. Klíčovou výhodou metamateriálů je jejich schopnost manipulovat s elektromagnetickými vlnami, což otevřelo nové možnosti v oblasti absorpce elektromagnetických vln (EMW). Tento text se zaměřuje na pokroky v této oblasti a na aplikace, které metamateriály nabízí, přičemž se specificky soustředí na jejich použití v mikrovlnných komponentech a nových typech absorpčních zařízení.

V oblasti mikrovlnné technologie jsou elektromagnetické vlny často používány k přenosu signálů, kde se uplatňují filtry, zesilovače a spínače. Metamateriály se zde používají jako absorbéry, které pomáhají řídit výkony a zabraňují nežádoucím interferencím. Například, použití metamateriálů v mikrovlnných komponentech umožňuje efektivní řízení vysokých výkonů, které jsou běžně v mikrovlnných zařízeních. Pomocí různých návrhů jednotkových buněk lze dosáhnout optimální absorpce jak na nízkých, tak i vysokých frekvencích, čímž se zvyšuje efektivita celého systému.

Zajímavý je i vývoj metamateriálů, které reagují na široké spektrum frekvencí, od mikrovln až po optické oblasti. Významným směrem ve vývoji je využití metamateriálů pro absorpci ve vysokofrekvenčních oblastech, jako je terahertzové (THz) pásmo. V roce 2023 byl představen metamateriál pro absorpci v tomto pásmu, který vykazuje vysokou citlivost, což umožňuje jeho použití v biomedicínských aplikacích, například při detekci bakteriálních infekcí a malárie.

Pokrok v oblasti metamateriálů byl pozorován od počátku 2000. let. V roce 2002 byla vyvinuta první rezonantní anténa Lucent Technology, která umožnila lepší manipulaci s elektromagnetickými vlnami. V roce 2003 byla popsána první aplikace fotonických krystalů v metamateriálech, což přispělo k dalšímu rozvoji a pochopení této technologie. V roce 2005 byly metamateriály definovány jako soubor umělých stavebních bloků, které mají specifické elektromagnetické vlastnosti. Od té doby byly tyto materiály neustále zdokonalovány a začaly být používány v různých průmyslových odvětvích, včetně obrany a telekomunikací.

Významným krokem bylo v roce 2017 zavedení komerčně dostupného programu pro satelitní antény založené na metamateriálech, což otevřelo cestu pro jejich širší využití v kosmických aplikacích. Metamateriály se ukázaly jako ideální pro použití v satelitní komunikaci díky své schopnosti manipulovat s elektromagnetickými vlnami a optimalizovat signál i v extrémních podmínkách. Tento pokrok má potenciál posílit komunikace na dlouhé vzdálenosti a umožnit pokrytí i oblastí, které byly dříve obtížně dosažitelné.

Avšak i přes tyto pokroky stále existují výzvy, především v oblasti výroby a implementace metamateriálů v reálných aplikacích. Výroba metamateriálů s vysokou přesností je stále technologicky náročná, zejména pokud jde o materiály, které musí fungovat v extrémních podmínkách, jako jsou vysoké frekvence nebo specifické terénní podmínky. Metamateriály používané v oblasti mikrovln a THz mají potenciál pro široké spektrum aplikací, ale jejich výroba a implementace stále představují určité technické překážky.

V oblasti obrany a letectví je očekáváno, že metamateriály, především v oblasti absorpce, budou hrát klíčovou roli v nových radarových systémech, na válečných lodích a ve specializovaných komunikačních zařízeních. V současnosti významně vzrůstá investice do obrany a s ní i poptávka po vysoce kvalitních a efektivních technologiích, jako jsou metamateriály. Tyto materiály jsou schopny poskytnout skrytí před radarovými signály a mohou výrazně zlepšit detekci nebo maskování objektů v různých frekvenčních pásmech.

Pokud se podíváme na komerční sektor, hráči na trhu jako NKT Photonics, Fractal Antenna Systems nebo Kymeta Corporation se již etablovali jako lídři v oblasti metamateriálů pro anténní a radarové aplikace. S rostoucí poptávkou po nových satelitních komunikačních systémech se očekává, že metamateriály budou hrát klíčovou roli při vývoji nových generací komunikačních satelitů, které budou muset zvládnout nároky na bezpečné a stabilní připojení na celém světě.

Jak moduluje infračervené světlo v reflektující fotopletysmografii?

Infračervené světlo, zejména v kontextu fotopletysmografie (PPG), je klíčovým nástrojem pro monitorování fyziologických parametrů člověka. PPG je metoda, která měří variace v množství světla absorbovaného nebo odraženého tkáněmi, což umožňuje detekci a analýzu kardiovaskulárních a dalších zdravotních funkcí. Ve své podstatě je PPG neinvazivní metodou, která se používá k monitorování různých parametrů, jako je saturace kyslíkem v krvi (SpO₂), srdeční frekvence a další biomedicínské signály.

V reflektující PPG je klíčová role infračerveného (IR) světla, které je schopné pronikat do pokožky a měkkých tkání, kde je následně odraženo zpět a detekováno senzory. Tento proces modifikace infračerveného světla umožňuje získat cenné informace o hemodynamických změnách, což je například změna v objemu krve během srdečního cyklu. Vytvořením sofistikovaných senzorů na bázi infračerveného záření se vědci zaměřují na zlepšení přesnosti měření, což je rozhodující pro použití těchto technologií v reálném čase v nositelných zdravotnických zařízeních.

Reflektující PPG je obzvláště atraktivní pro široce dostupné zařízení, jako jsou chytré hodinky a fitness trackery. Tyto zařízení umožňují sledování fyziologických parametrů bez nutnosti přímého kontaktu se senzorem. Významným pokrokem v této oblasti je využití pokročilých materiálů, jako jsou grafenová vlákna, které mohou výrazně zlepšit citlivost a přesnost senzorů na infračervené světlo, což umožňuje vytváření tenkých a flexibilních zařízení s vyšší spolehlivostí.

Kromě fyziologických parametrů, jako je měření saturace kyslíkem v krvi nebo srdečního rytmu, infračervené světlo v reflektující PPG nachází uplatnění i v dalších oblastech, jako je monitorování teploty těla, rozpoznávání pohybu nebo analýza kvality spánku. Moderní wearable technologie dokonce integrují různé metody, jako je balistokardiografie a aktigrafie, pro komplexní sledování a vyhodnocování zdraví uživatele.

Významným směrem výzkumu v oblasti PPG je zlepšení senzorických platforem pro monitorování životních funkcí lidí v domácí péči nebo starší populace. Nové studie se zaměřují na integraci PPG technologií s platformami pro inteligentní zdravotní sledování, které mohou v reálném čase poskytovat uživatelsky přívětivé informace o stavu zdraví a umožnit lepší řízení a prevenci nemocí.

Při vývoji a využívání PPG je nezbytné věnovat se i etickým otázkám týkajícím se ochrany soukromí a bezpečnosti uživatelů. I když nositelné zařízení nabízí pohodlné a nenápadné sledování zdravotního stavu, je důležité, aby uživatelé měli jistotu, že jejich data jsou chráněna před zneužitím.