Невидимость веками была третьей мечтой человечества после полетов и способности видеть то, что далеко. Сегодня для первого есть самолеты, а для второго - телевидение и интернет. Какие технологии позволят нам научиться исчезать по собственному желанию в будущем? Кожа кальмара, отсутствующий небоскреб и материал-обманщик -Т&P изучили разработки современных ученых, чтобы ответить на этот вопрос.

Прежде всего, плохая новость: сделать живое тело невидимым с помощью эликсира пока не представляется возможным. Английский писатель и публицист Герберт Уэллс в своем романе «Человеке-невидимка», написанном в 1897 году, объяснял: «Тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает света, то оно не может быть видимо само по себе. Если вы положите кусок обыкновенного стекла в воду или, еще лучше, в какую-нибудь жидкость, более плотную, чем вода, то вы стекла почти совсем не увидите, потому что свет, переходя из воды в стекло, преломляется и отражается очень слабо, и вообще не подвергается почти никакому воздействию». Иными словами, чтобы сделать тело невидимым, нужно уменьшить коэффициент преломления его тканей (кожи, мышц, внутренних органов и костей) до коэффициента преломления воздуха. Ни физика, ни физиология сегодня не позволяют нам этого сделать: невидимые глаза не смогут улавливать свет, а для изменения оптических свойств тканей нужно так перекроить обмен веществ, что станет не понятно, как жить с этим. Идея шапки-невидимки тоже выглядит сомнительно: она должна временно менять оптические свойства не только живых тканей, но и одежды и обуви, - предметов, сделанных из совсем других материалов, часто смешанных и синтетических.

Как устроен плащ-невидимка

Плащ-невидимка работает совсем не так, как шапка или эликсир: не меняя свойств предмета, он может направить лучи света в обход и заставить стороннего наблюдателя видеть только то, что находится позади. Сегодня субстанции с такими свойствами уже есть: это метаматериалы с отрицательным углом преломления, который заставляет лучи света огибать объект и делает его невидимым глазу.

Первопроходцем в области создания таких метаматериалов стал физик Имперского колледжа в Лондоне, сэр Джон Пендри. В середине 90-х он предположил, что достижение нужного угла преломления возможно не столько за счет химического состава молекул, сколько за счет их расположения. Ученый исходил из всем известного факта: на границе сред волны могут отражаться или преломляться, а внутри среды - поглощаться или проходить сквозь нее. Он предложил использовать материалы, в состав которых входит металл (проводник электричества) и диэлектрик. Тем не менее, когда в 2006 году дошло до опытов, выяснилось, что метаматериалы Пендри делают предметы невидимыми только в инфракрасном диапазоне. Тогда профессора Мичиганского университета Елена Семушкина и Сян Чжан предложили отказаться от металла и использовать только диаэлектрики: например, одноосные кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление при всех направлениях падающего света, кроме одного.

Чтобы сделать плащ-невидимку, такие кристаллы начали исследовать физики из Бирмингема. Вскоре им удалось создать материал с одноосными кристаллами нитрида кремния на прозрачной нанопористой подложке оксида кремния. Когда все кристаллы оказались на подложке, в них проделали отверстия нанометрового диаметра. В результате получилось гладкое оптическое зеркало, которое способно скрывать объекты в видимом диапазоне. Именно такую технологию, возможно, использовали канадские создатели военных «исчезающих плащей», которые пока держат состав своего материала в секрете.

Quantum Stealth: материал-обманщик

Канадская компания Hyperstealth специализируется на камуфляже и выпускает ткань Quantum Stealth. Этот мягкий материал обводит свет вокруг объекта и позволяет сделать его невидимым для глаз, приборов ночного видения и тепловизоров, а также скрывает тень. Материал работает без камер, батарей, ламп и зеркал, мало весит и, по словам разработчиков, стоит недорого. Тем не менее, купить его пока нельзя, ведь изначально эта ткань была предназначена для канадской, американской и британской армии. Военные и представители групп быстрого реагирования начали тестировать Quantum Stealth в 2012 году. В апреле 2014 года Hyperstealth объявила о запуске коммерческого варианта своего плаща-невидимки: Hyperstealth INVISIB. Его свойства будут не такими удивительными, как у армейского аналога, однако исчезновений все равно можно будет добиться. Сейчас компания оформляет права интеллектуальной собственности на массовую версию разработки. Уже следующем году она, возможно, попадет на рынок.

Углеродные нанотрубки: эффект миража

Ученые из Университета Техаса в Далласе разработали технологию использования углеродных нанотрубок, которая позволяет «стирать» объекты. В ее основе лежит эффект миража, или фототермическое преломление. Чтобы заставить предмет «исчезнуть», специалисты используют цилиндрические молекулы углерода с высокой теплопроводимостью. Включая и выключая подачу тока, ученые нагревают и остужают материал, вынуждая предмет за ним появляться и пропадать. Основная проблема техасского изобретения, тем не менее, заключается в том, что для его работы скрываемый объект непременно должен находиться в контейнере с водой.

Исчезающий небоскреб: глаза наоборот

Американское архитектурное бюро GDS строит в Сеуле невидимый небоскреб Infinity. В высоту это здание будет достигать 450 м. Для строительства его создатели используют бетон и стекло, а невидимости планируют добиться за счет использования оптических видеокамер и дисплеев на фасаде. Камеры будут снимать то, что находится позади небоскреба, и транслировать изображение на его стены. Это создаст впечатление, что вы смотрите сквозь здание, а то и вовсе не видите его. Чтобы дисплеи смогли точнее отображать пейзаж, у Infinity будет три вертикальные секции, каждая с шестью сторонами. Правда, по углам, на стыке дисплеев, небоскреб все равно будет выглядеть заметным. До тех пор, пока мы не изобретем мягкие дисплеи достаточной прочности, устранить эту проблему не получится.

Белок рефлектин: кожа кальмара

Способность каракатиц, кальмаров и осьминогов становиться невидимыми в воде позволила ученым из Университета Калифорнии и Университета Дьюка создать «плащ-невидимку» для морских пехотинцев. Они использовали белок под названием рефлектин, способный подстраиваться под свет с разной длиной волны. Специалисты нашли его в тканях кожи кальмара лонгфин (Loligo pealeii), которого изучали по заказу Службы военно-морских исследований США. Они обнаружили, что в его тканях чередуются слои клеток с высоким и низким показателем преломления. Сокращая и увеличивая расстояние между слоями, кальмар «отражает» свет разного диапазона и меняет цвет. Чтобы воспроизвести эту способность, ученые выделили рефлектин из клеток с высоким показателем преломления и поместили слой этого белка на оксид-графеновую и диоксид-силиконовую пленку. Попеременно обрабатывая материал водяным паром и раствором кислоты, они смогли заставить слой белка расширяться и опадать, меняя цвет. Специалисты говорят, что их разработка станет «первым решающим шагом» к созданию исчезающего плаща. Такая самонадеянность понятна: ведь если, повторяя за птицами, мы научились летать, почему бы нам не научиться быть невидимыми, повторяя за кальмаром?

Сказка часто становится былью. Ковры-самолеты, волшебные блюдца, в которых отражается далекая реальность, сапоги-скороходы и многие другие выдумки стали вполне обыденной реальностью. Теперь на очереди шапка-невидимка. По крайней мере, американский журнал «Наука» опубликовал статью, в которой изложены основные принципы действия практически идеального средства маскировки.

Проблемы невидимости

Проблемой оптической скрытности объектов занимаются ученые кафедры материаловедения Национальной лаборатории имени Лоуренса в университете Беркли. Руководит работами м-р Сян Чжан. Общая идея состоит в том, чтобы заставить свет огибать некий объект. Подобные разработки уже производились в прошлом, но успеха не дали по той причине, что предыдущие попытки могли отклонять лучи в узком угловом диапазоне. Полной оптической проницаемости или ее иллюзии достигнуть пока так и не удалось. Искажение картины позволяет производить локацию объекта (то есть его визуальное обнаружение). Проблему представляла и недостаточная гибкость маскирующих поверхностей. Всех этих недостатков лишен ультратонкий материал, разработанный в Беркли. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, гибок, но пока слишком дорог.

Принцип действия

Роль сказочников в наше время играют кинематографисты. В фильме «Хищник», Чужой (антагонистический персонаж) использует маскировочное устройство для того, чтобы скрытно приближаться к своим жертвам. Эффект далек от совершенства: пришельца выдают искажения света. Он не прозрачен (хотя обнаружить врага не так легко), на его месте наблюдается некое марево. Реальность превзошла самые смелые режиссерские мечтания. «Плащ», изобретенный в Национальной лаборатории имени Лоуренса, делает объект по-настоящему невидимым.

Принцип действия состоит в том, что множество микроскопических зеркал автоматически разворачиваются в направлении источника света. Примерно так же работает «столик для говорящей головы». Фокусник, окруженный снизу зеркалами, остается невидимым для зрителя за исключение возвышающейся над ними части тела. В условиях сложности рельефа и формы скрываемого объекта добиться такого эффекта очень сложно. Но все же возможно.

Технические параметры

Известно, что «плащ-невидимка» покрыт слоем фторида магния, на который нанесен узор из крошечных золотых кирпичиков-антенн толщиной в 30 нанометров. Это очень тонкая пленка, во много раз тоньше волоса. Общая толщина вместе с подложкой составляет 50 нанометров. «Кирпичики» представлены в шести различных размерах, в пределах от 30 до 220 нанометров в длину и от 90 до 175 нм в ширину. Благодаря этим микроантеннам существует возможность поворачивать зеркальные поверхности перпендикулярно направлению света и полностью его рассеивать. При этом учитывается и частота, и фаза излучения, - относительно начального параметра они повернуты на 180 градусов, что позволяет полностью его компенсировать.

При правильной настройке поверхностей полированный золотых плоскостей можно придать отраженному свету любой эффект. Он может изображать фон объекта (например, пол) или нечто совершенно другое. Если плащ-невидимка будет достаточно большим, теоретически им можно накрыть что угодно. К примеру, танк будет похожим на велосипед. Или его вообще будет не видно.

Практические перспективы

Исследования проводились в световом диапазоне с длиной волны 730 нм (ближняя инфракрасная область спектра). Наблюдалось практически идеальное отражение. Это научное достижение впечатляет и наводит на мысли о новом витке гонки вооружений. Однако думать о невидимых танках, ракетах, самолетах и прочих образцах смертоносной техники пока еще рановато. Дело в том, что эксперименты производились с неким объектом сложной пространственной конфигурации, величиной в 36 мкм в аппроксимированном диаметре. Если в дюймах, то это примерно одна тысячная. В миллиметрах… в общем, обычная песчинка, только очень маленькая. Именно ее обернули таинственным «плащом-невидимкой». Наука умалчивает о том, в какую сумму обошлось сделать ее оптически прозрачной.

Впрочем, когда-нибудь и это изобретение может получить практическое применение. К примеру, экраны кинотеатров в настоящее время должны быть идеально ровными, а в случае применения «умных кристаллов-микроантеннок» это требование окажется ненужным, и изображения можно будет проецировать на любые криволинейные поверхности без искажений.

Ученые нескольких стран близки к созданию такого материала, который делает человека или любой иной объект незаметным для окружающих. Однако в нынешних условиях мало создать визуальную обманку для человеческого глаза. Настоящий плащ-невидимка должен маскировать объект по десяткам различных параметров. И ученые-изобретатели работают над этим.

В свое время японцы пытались решить задачу создания плаща-невидимки, что называется, в лоб. Они создали специальный плащ, на одной стороне которого располагались сотни мини-видеокамер, а на другой — сотни маленьких экранов. В активированном состоянии камеры снимают пространство за спиной скрываемого объекта и передают картинку на экраны впереди него. В итоге, покрытый таким плащом объект как бы закрывают телевизионной картинкой пустоты. Однако этот путь является тупиковым. Да и сама идея плаща-невидимки подменялась идеей телевизионной иллюзии.

Параллельно ученые ряда стран занимаются поиском и созданием материалов с особыми свойствами, которые должны работать со светом и учитывать его природу. Ученые из Сингапура представили свою версию невидимых технологий. На конференции TED в Лос-Анджелесе они показали прозрачный куб. Кристаллы оптического кальцита позволяют преломлять лучи таким образом, что находящийся за кубом объект становится незаметным. Сингапурцы, впрочем, уверены, что кальцит скорее будут использовать для для улучшения качества передачи по оптоволокну, а также при создании новых цифровых фотокамер.

Волновая природа света подтолкнула ученых к идее создать такой материал, который эти волны будут вынуждены обтекать. Он позволяет волнам визуально скрывать объекты, создавая эффект невидимости. При этом лучи должны сходиться вновь за объектом, сохраняя свое первоначальное направление. Для этого необходимо использовать метаматериалы с необычными свойствами. Первые подобные материалы появились в 2006 году. Ученые из университета Техаса заявляют о том, что им удалось создать одну из версий подобного материала, которому они дали название "метаэкран". Этот сверхтонкий и гибкий материал создан из нитей медной и поликарбонатной пленки.

При этом в Техасе применили иной подход. Волны не обтекают материал, ультратонкая пленка рассеивает и нейтрализует ультракороткие волны: сам материал оказывается тоньше длины волны. Пока такая накидка делает невидимым относительно небольшие объекты. В ходе опытов ученые скрывали керамический цилиндр высотой 18 сантиметров, который оборачивали "метаэкраном". Невидимым объект становился при просмотре его через микроволновый сканер. Именно микроволновое электромагнитное излучение с длиной волны от 1 мм (частота 300 ГГц) до 1 м (300 МГц) используется в большинстве радаров.

Тем не менее, развивая модель техасские ученые смогут закрыть объект от видимого излучения, которое аналогично микроволнам и инфракрасным волнам. Скорее всего именно этот подход станет магистральным в деле создания современных маскировочных материалов. В Массачусетском технологически университете работают над аналогичным материалом, который воздействует на электромагнитное поле. Пока создана только компьютерная модель специальных наночастиц.

Предполагается, что созданный из них материал не будет заставлять частицы обтекать его, а просто пропустит электроны сквозь себя, как будто препятствия не существует вовсе. И в этом случае "невидимость" является скорее дополнительным свойством. С этой технологией предполагается улучшать материалы, используемые в термоэлектрических устройствах, соединив в них качества высокой электропроводностью с низкой теплопроводностью.

Также эти наработки можно будет использовать для создания переключателей в электронных средах. И кстати, невидимость объекта для невооруженного человеческого глаза в современных условиях сама по себе мало чего стоит. Объект может быть засвечен волнами другого типа, вычислен по излучению мобильного телефона и т. д. Работающих технических устройств различного типа разработано достаточно.

Поэтому актуальным становится создание материала, который способен маскировать носителя по десяткам, если не сотням параметров. Нечто подобное, но пока на основе собственных скромных возможностей создает дизайнер Адам Харви из Нью-Йорка. Он пытается использовать поднимающееся в Штатах беспокойство по поводу применения беспилотников для тотальной слежки за людьми. В прошлом году в ходе разбирательств по иску от Фонда электронных рубежей (EFF) правительство США признало наличие на территории страны уже 64 работающих баз беспилотников.