Met bepaalde metamaterialen is het in principe mogelijk om als een gekko tegen een metalen muur op te klimmen en de kleefkracht met een druk op de knop aan of uit te zetten. Dit voorspellen natuurkundigen.
Lichtdruk
Al in 1871 voorspelde James Clerk Maxwell dat licht een kracht uitoefent op alles wat het raakt. Deze stralingsdruk is zwak, denk aan enkele newtons (een newton is de druk die 100 gram materie door de aardse zwaartekracht uitoefent) per vierkante kilometer oppervlak, maar aantoonbaar door licht op een molentje met donkere en lichte oppervlakken te laten vallen. Zonnezeilen en laserkoeling werken op dit principe.
Optische kracht
John Zhang en zijn collega’s van de universiteit van Southampton in Engeland hebben een nog veel sterker effect ontdekt. Zij voorspellen dat er een vele malen sterkere optische kracht kan bestaan tussen een metaal of diëlektrische plaat en een metamateriaal, een materiaal met een complexe interne structuur. In dit geval gaat het om een metamateriaal met exotische optische eigenschappen. Dit effect maakt gebruik van plasmons.
Wat zijn plasmons?
Niet alleen atomen, maar ook trillingen, warmte en geluid zijn gekwantificeerd in elementaire ‘deeltjes’. Zo bestaat warmte uit fononen: elementaire trillingen die door materie reizen. de precieze sterkte van deze trillingen verschilt uiteraard per type materie. Trillingen van de elektronen op de oppervlakte van materie worden plasmons genoemd. Deze trillingen zijn maar klein in amplitude – nanometers, aanmerkelijk kleiner dan die van de golflengte van zichtbaar licht. Al eerder beschreven we een truc om door licht om te zetten in plasmons, licht door een zeer kleine opening te laten reizen.
Hoe werkt het effect?
In hun artikel beschrijven Zhang en zijn collega’s, dat in principe deze plasmons in resonantie kunnen komen met de elektronen van het andere oppervlak. Hierdoor ontstaat een resonerend effect dat beide oppervlakken tegen elkaar aan trekt.
Plasmons zijn trillingen, dus hebben een bepaalde trillingsfrequentie. Als deze met licht van precies de juiste golflengte worden geraakt, wordt de aantrekkende kracht erg sterk. Hoe sterk, hangt af van de frequentie en intensiteit van het invallende licht. In principe wekt licht met een intensiteit van enkele tiende watt per vierkante meter een voldoend sterk effect op om de zwaartekracht van een 50 nm dik goudlaagje te compenseren.
Wat kunnen we er mee?
De technische toepassingsmogelijkheden hiervan zijn groot in aantal. Zhang en zijn collega’s noemen bijvoorbeeld de mogelijkheid om met een optische scantip nano-objecten op te pakken (kijken en grijpen tegelijkertijd dus; essentieel voor micro- en nanotechnologie) en het aanpassen van de eigenschappen van metamaterialen met behulp van licht – programmeerbare materie dus.
En zo zijn er heel wat meer toepassingen te verzinnen. Een carrière als Spiderman bijvoorbeeld? Voor dat laatste zijn uiteraard extreem veel grotere sterktes nodig waarvan het de vraag is of die haalbaar zijn.
Experimenten
Alleen is de kracht nog niet experimenteel aangetoond. Wel geven Zhang en zijn collega’s nuttige aanwijzingen om deze kracht te vinden en stellen zelfs dat de hier beschreven nabije-veld elektromagnetische kracht gemakkelijk te detecteren moet zijn.
Naschrift: op dit moment (2021), negen jaar na deze veelbelovende aankondiging, is er nog geen experimentele bevestiging van het effect bekend.