Генетический алгоритм помог создать уникальный метаматериал

Генетический алгоритм помог создать уникальный метаматериал

Американские инженеры использовали особый генетический алгоритм, чтобы создать материал, защищающий от электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн.

Современные метаматериалы совершили настоящий прорыв в сфере защиты от излучений. Благодаря своей искусственно созданной периодической структуре они могут частично или полностью поглощать волны разной длины, делая покрываемые объекты "невидимыми" для определённых диапазонов.

Главная проблема, с которой сталкиваются разработчики — необходимость перебрать множество вариантов форм и текстур для поиска оптимального решения.

Предложенный алгоритмом рисунок узора (слева) и фотография изготовленного экранирующего слоя (справа) (иллюстрация Bossard/Penn State).

Специалисты из университета Пенсильвании (PSU) нашли способ облегчить эту работу, используя так называемые "генетические алгоритмы". Этот метод ищет наилучшие варианты путём комбинирования и вариации искомых параметров по принципу естественного отбора в природе.

Группа учёных работала с материалом, представляющим собой несколько слоёв на кремниевой подложке. За первым слоем из палладия следует пластик полиамид, внутри которого помещён ещё один экранирующий слой палладия. Этот последний слой имеет сложные вырезы определённой формы, которые блокируют волны разной длины. Благодаря особой форме и размерам элементов, этот узор поглощает до 90% инфракрасного излучения, падающего на поверхность под углом до 55 градусов.

Структура метаматериала включает в себя кремниевую подложку (серая), первый слой палладия (зелёный), полиамид (прозрачный) и экранирующий слой (иллюстрация Bossard/Penn State).

Чтобы найти наиболее эффективный рисунок для экранирующего слоя пригодился математический инструмент, основанный на законах природы. Учёные записали характеристики отдельных ячеек экранирующего слоя в двоичном коде, создав своеобразные цифровые хромосомы.

После этого алгоритм принялся в случайном порядке смешивать их, создавая целую "популяцию" возможных форм и узоров. Затем программа проверила свойства всех полученных образцов и отобрала только самые лучшие из них. "Победители" были снова смешаны между собой для получения второго поколения вариантов, из которых снова оставляли лишь наиболее подходящие.

В результате такой эволюции был получен образец, который превзошёл поставленную изначально задачу. Материал поглощает широкий спектр волн в отличие от многих узкоспециализированных предшественников. К тому же, он состоит всего из одного экранирующего слоя, что делает его простым в изготовлении.

Структура метаматериала включает в себя кремниевую подложку (серая), первый слой палладия (зелёный), полиамид (прозрачный) и экранирующий слой (иллюстрация Bossard/Penn State).

Покрытие из полиамида не только защищает металл, но и предотвращает потери в момент входа волны из воздуха в устройство. Как сообщается в пресс-релизе университета, новый материал может быть использован, чтобы делать объекты невидимыми для инфракрасных сенсоров, а также для защиты специального оборудования от излучения.

Ранее генетический алгоритм уже использовали в области электромагнетизма, но работа американских учёных стала первым случаем его применения для изготовления новых материалов. Результаты опубликованы в издании ACSNano.

Комментарии: