Metamaterial: Upaya “Mendobrak” Hukum Optik

Mungkin kalian pernah melihat film Avengers (2012) yang markas kapal terbangnya bisa tembus pandang, atau yang terbaru, game Spiderman: Miles Morales yang di satu scene menampakkan adegan Miles Spiderman yang dengan kostumnya bisa berkamuflase seperti bunglon.

Kalau dipikir-pikir nih, mungkin gak itu terjadi di dunia nyata? Ternyata, sangat mungkin lho gaes teknologi tersebut ada dan dimanfaatkan. Metamaterial adalah material maju yang memungkinkan untuk merealisasikan teknologi tersebut.

Mengenal lebih dekat Metamaterial

Metamaterial, secara bahasa, terdiri dari kata meta (melampaui) dan material (bahan). Metamaterial ialah bahan dengan sifat fisis jenis baru yang secara struktur tidak tersedia di alam, direkayasa sedemikian rupa sehingga ketika berinteraksi dengan cahaya, cahaya akan dibelokkan dengan cara yang tidak kita temukan sebelumnya di alam. Hmm, gimana nih maksudnya?

Kalau kalian paham bagaimana hukum-hukum optik bekerja, let’s say pemantulan (reflection) dan pembiasan (refraction). Kedua hukum tersebut umum kita dapati dalam kehidupan kita sehari-hari. Tapi, ternyata ada juga ‘fenomena’ yang tidak mematuhi kedua hukum tersebut. Di sinilah metamaterial menunjukkan eksistensinya.

Contoh sederhananya begini. Misalkan, ada sebuah gelas berisi air. Kita sinari air di dalam gelas tersebut dengan sinar laser. Ketika sinar laser masuk dari medium udara ke medium air, garis sinarnya terlihat seakan “patah,” tidak lurus. Ini biasa kita sebut sebagai fenomena pembiasan. Di sini nilai indeks bias air bernilai positif. Nah, bedanya dengan metamaterial adalah metamaterial memiliki indeks bias negatif, sehingga ketika sinar datang masuk ke medium metamaterial, ia akan mengalami pembelokan (gelombang) cahaya yang besar.

blank
Gambar 1 Fenomena pemantulan dan pembiasan. Pada medium 2 (n­2) dengan indeks bias positif (n2 > 0) sinar hasil pembiasan digambarkan sebagaimana di angka 3. Jika indeks biasnya negatif (n2 < 0), sinar hasil pembiasan terlihat sebagaimana di angka 4 (sumber: Wartak, et. al., 2011).

Secara historis, kemunculan metamaterial ini berawal dari tujuan ambisius J. B. Pendry yang ingin menciptakan lensa sempurna. Lensa sempurna tersebut memiliki karakteristik permitivitas dan permeabilitas yang nilainya negatif pada rentang frekuensi yang sama. Ini tentu bertolak belakang dengan nilai permitivitas dan permeabilitas yang selama ini kita tahu bernilai positif. Tapi, di sini bisa diasumsikan sebagai “material komposit masa depan.” Asumsi ini bukan tanpa dasar, lho. V. G. Veselago bilang kalau medium tersebut bisa ditemukan di antara semikonduktor magnetik homogen yang dibuat secara kimiawi, walaupun sebelumnya belum ada bahan yang memiliki parameter bernilai negatif dari keduanya.

Prinsip Dasar dan Beberapa Aplikasinya

Dalam prinsip ilmu material, struktur material berkaitan dengan susunan komponen internal material yang melibatkan elektron pada atom dan interaksinya dengan inti atom. Struktur ini melibatkan pengorganisasian atom atau molekul satu sama lain. Dari sinilah struktur material akan berpengaruh pada sifat material tersebut.

Oleh karena itu, hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa metamaterial secara struktur tersusun atas kristal-kristal yang berisi resonator “meta-atom” logam kecil, sehingga, ketika berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik seperti cahaya, nilai permitivitas (ε)* dan permeabilitasnya (µ)** bernilai negatif. Respons metamaterial terhadap gelombang elektromagnetik yang datang berkaitan dengan prasyarat ukuran resonator buatan yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang.

blank
Gambar 2 Orientasi vektor tangan-kanan E, H, dan k, untuk ε dan µ positif. (b) Orientasi vektor tangan-kiri E, H, dan k, untuk ε dan µ negatif (sumber: Wartak, et. al., 2011)

Prinsip dasar metamaterial ini bisa mengacu pada Hukum Maxwell tentang gelombang elektromagnetik. Misalkan arah perambatan gelombang elektromagnetik kita nyatakan dalam vektor sebagai vektor k, gelombang medan listrik sebagai E, dan gelombang medan magnet sebagai H. Secara sederhana, ketiga vektor tersebut membentuk kaidah tangan-kanan vektor, untuk permeabilitas dan permitivitas yang bernilai positif. Jika permeabilitas dan permitivitas bernilai negatif, maka ketiga vektor tersebut akan membentuk kaidah tangan-kiri vektor. Oleh karena itu, material ini juga disebut sebagai left-handed materials (LHM). Kaidah tangan-kiri inilah yang menjadi sifat unik metamaterial, sehingga berpengaruh pada arah pada arah perambatan gelombang elektromagnetik.

Metamaterial ketika dikembangkan dapat diaplikasikan pada alat dan komponen elektromagnetik yang berguna bagi kendaraan otomotif masa depan, seperti sistem antena untuk RADAR dan komunikasi mobile, bahan magnetik baru untuk motor listrik, dan bahan penyerap dan pelindung dengan performa tinggi.

blank
Gambar 3 Aplikasi gelombang microwave dan milimeter dari metamaterial (Sumber: Kazuo Sato, tanpa tahun)

Simovski dan Tetryakov (2009) mencatat bahwa tidak ada kendala mendasar dalam mengembangkan metamaterial di masa depan. Namun, kepentingan praktis dari material ini yang sudah dikembangkan untuk berbagai aplikasi, utamanya peningkatan yang ditawarkan oleh material logam di berbagai perangkat dibandingkan dengan solusi konvensional, serta prospek metamaterial dalam aspek teknologi dan ekonomi masih menjadi topik diskusi yang asik untuk dibincangkan dan didalami.

Catatan:

*) permitivitas: parameter yang menunjukkan seberapa banyak molekul menembus medan listrik eksternal

**) permeabilitas: kemampuan menembus medan magnet pada suatu medium

Baca juga:

Referensi:

  • https://maxwells-equations.com/materials/permittivity.php diakses pada 2 Februari 2021
  • Bilotti, F., & Sevgi, L. (2012). Metamaterials: Definitions, properties, applications, and FDTD-based modeling. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, 422-438.
  • Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2010). Materials Science and Engineering: An Introduction. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
  • Sato, K. (n.d.). Research trends in metamaterials. 40(2).
  • Simovski, C. R., & Tretyakov, S. A. (2009). Historical Notes on Metamaterials. In Theory and Phenomena of Metamaterials.
  • Wartak, M. S., Tsakmakidis, K. L., & Hess, O. (2011). Introduction to Metamaterials. Physics in Canada, 67(1), 30-34.
Azrul Kiromil Enri Auni
Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar