Metamaterial: When Materials can be Engineered

Masih ingat dengan jubah ajaib Harry Potter? Susan dari Fantastic Four? Membuat suatu benda menjadi tembus pandang bukanlah hal mustahil lagi untuk dilakukan, yaitu menggunakan metamaterial. Tapi, bukan hanya itu saja aplikasi metamaterial, tak lama lagi metamaterial akan berperan lebih nyata, mulai dari antena satelit hingga pengisian nirkabel baterai ponsel.

Metamaterial?

Metamaterial (dari Bahasa Yunani “meta” artinya “melampaui”-to go beyond) adalah material pintar hasil rekayasa yang memiliki sifat tertentu dan belum ditemukan di alam. Material ini biasanya disusun oleh komposit material seperti logam dan plastik, tetapi yang lebih berpengaruh adalah strukturnya. Material penyusun diatur dalam pola berulang, dalam skala yang lebih kecil daripada panjang gelombang yang akan dimanipulasi. Metamaterial memiliki indeks bias negatif dan bersifat membelokan cahaya, sehingga benda yang dilapisi olehnya tidak dapat tertangkap oleh mata.

Gambar kiri adalah skema yang pertama 3-D “jala” metamaterial yang dapat mencapai indeks bias negatif pada frekuensi optik. Sedangkan gambar kanan adalah gambar mikroskop pemindaian elektron dari struktur yang direkayasa, yang dikembangkan oleh ilmuwan dari Universitas Berkeley. Bentuk lapisan alternating circuit kecil yang dapat membelokkan cahaya ke belakang. (Jason Valentine / UC Berkeley)

Sejarah singkat

Eksplorasi material buatan untuk memanipulasi gelombang elektromagnetik dimulai pada akhir abad 19. Salah satu struktur pertama yang dapat digolongkan metamaterial dipelajari oleh Jagadish Chandra Bose, yang pada tahun 1898 melakukan riset substansi yang bersifat kiral. Penelitian dan inovasi terus dilakukan hingga pada tahun 1967 meterial dengan indeks negatif dapat dijelaskan secara teoritis oleh Victor Veselago. Tahun 1999 John Pendry mengidentifikasi cara yang praktis untuk membuat metamaterial “tangan kiri”, yaitu material yang tidak mengikuti aturan “tangan kanan” konvensional.

Pengembangan dan aplikasi

Efek Cloaking

Penggunaan metamaterial yang paling awal diteliti dan dikembangkan adalah efek cloaking. Berdasarkan riset-riset terbaru, metamaterial dapat digunakan untuk menyelubungi benda baik 2D maupun 3D. Ternyata metamaterial tidak hanya dapat berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik saja, tetapi juga dengan gelombang mekanik. Karena itu, tidak hanya gelombang visual, tetapi kita dapat membuat “jubah” untuk gelombang radar, akustik, sonar, bahkan hingga gelombang seismik (gempa).

Electromagnetic cloaking experiment (lingkaran luar adalah metamaterial)

Eksperimen pertama tampak bahwa gelombang terpecah (tanpa cloaking)

Ong Chong Kim, direktur Pusat Materi Superkonduktor dan Magnetik di Universitas Nasional Singapura, mengatakan meski metamaterial belum sepenuhnya dapat digunakan untuk membuat obyek tak kasat mata, tapi metodenya dapat digunakan untuk membelokkan jenis gelombang lainnya, termasuk gelombang mekanis seperti suara dan gelombang laut.

Kalangan periset Perancis awal tahun 2013, misalnya, membelokkan gelombang seismik mengelilingi lubang-lubang yang dirancang khusus dalam tanah, merefleksikan gelombang balik kembali.

Ong menunjuk kemungkinan penggunaan pengetahuan rekonfigurasi geometri materi untuk membelokkan gelombang tsunami, agar tidak melanda gedung-gedung strategis. Nantinya metamaterial akan dikembangkan dalam struktur bangunan anti gempa, bahkan juga untuk gelombang tsunami.

Selain bersifat membelokan, metamaterial juga dapat bersifat sebagai absorber yang dapat menyerap gelombang elektromagnetik sangat banyak. Hal ini sangat bermanfaat di bidang yang bersifat fotonik seperti solar cell, fotodetektor, LED, laser, dll. Penggunaan metamaterial pada solar cell dapat meningkatkan efisiensi penyerapan dan mengurangi hilangnya energi.

Lensa Super

Di sinilah yang akan benar-benar menarik, metamaterial juga dapat menghasilkan banyak efek di luar efek cloaking. Tergantung pada, ukuran pengaturan geometri, dan bahan-bahan yang digunakan, adalah mungkin untuk membuat lensa super yang memungkinkan kita untuk melampaui batas difraksi lensa normal. Pengembangannya antara lain, membuat chip lebih kecil melalui lensa resolusi tinggi, mikroskop super, dan atau lensa kamera telepon mobile yang lebih baik. Transfer daya nirkabel yang lebih fokus, pencitraan satelit yang lebih baik, laser yang lebih fokus dan masih terbuka untuk alat-alat lainnya yang memiliki lensa.

Metamaterial di bidang pertahanan

Riset metamaterial di Amerika Serikat sebagian besar didanai oleh depertemen pertahanannya. Ketertarikan mereka terutama tentu pada membuat objek tembus pandang. Fasilitas penting dan rahasia negara dapat dilindungi dengan membuat material ini. Selain itu juga dalam pembuatan pesawat siluman dan kendaraan-kendaraan anti radar dan visual lainnya.

Referensi

Raman A. P, et al. 2013. Metamaterial band theory: fundamentals & applications. Sci China December 2013, Vol. 56, 120402:1–120402:14.

Singh, Gurwinder. 2015. A Review of Metamaterials and its Applications. International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Vol. 19 No. 6, 305-310.

Mendhe, S. E. 2011. Metamaterial Properties and Applications. International Journal of Information Technology and Knowledge Management, Vol. 4, No. 1, 85-89.

https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/metamaterials-brochure_en.pdf

http://www.narotama.ac.id/download_berita/Teknologi%20Bahan%20Terbaru.pdf

http://physics.bu.edu/~redner/482/13/averitt-slides.pdf

http://www.iop.org/resources/topic/archive/metamaterials/

http://metamaterials.duke.edu/research/metamaterials

https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

dll.