Ця назва взята з цитати професора Девіда Р. Сміта з Університету Каліфорнії в Сан-Дієго, який у 2000 році вперше експериментально здійснив теоретично передбачуване з 1968 року явище негативного заломлення у матеріалах з від’ємними діелектричною та магнітною проникностями. Як матеріал було використано так звані розрізні кільцеві резонатори (SRR — Split Ring Resonators), запропоновані професором Джоном Б. Пендрі з Імперського коледжу Лондона для імітації на мікрохвилях магнітних відгуків, не властивих природним матеріалам. Відтак поява SRR і застосування їх на практиці привели до започаткування нового терміну — метаматеріали (від грецького «мета» — «поза, над»), а також до інтенсивного розвитку у світі після 2000 року нового науково-технічного напряму «Метаматеріали та їхнє практичне застосування».
Після зазначених експериментів у Великій Британії були створені оригінальні метаматеріальні поглиначі електромагнітної енергії, пристрої для мікрохвильової невидимості, антени для супутникового зв’язку. На думку британських фахівців, метаматеріали відкривають нові можливості для бізнесу в усьому: від охорони здоров’я та енергетики до акустики й космічної науки. Для підтримання процесу комерціалізації, роботи зі стартапами й залучення промисловості створено Мережу метаматеріалів Великої Британії, що має змогу фінансувати додаткові дослідження й розвивати інфраструктури для тестування і виробництва метаматеріалів у великих масштабах.
Після 2001 року у США за підтримки Агентства передових оборонних дослідницьких проєктів відбулося бурхливе зростання обсягів інженерних розробок і застосування метаматеріалів. Були створені пристрої для мікрохвильового маскування, почалося практичне використання метаматеріалів для створення антен, зокрема в системах супутникового зв’язку Starlink, інтенсивними є розробки активних метаматеріалів для реконфігурованих поверхонь 5G. Головний науковий співробітник з інженерної справи, який брав участь у розробленні знакових проєктів, зокрема системи Patriot, доктор Еллі Брукнер зазначив, що вже видано десятки книжок про метаматеріали, а їхнє застосування є особливо важливим для радарів і телекомунікацій.
Китай займає вагомі позиції, орієнтуючись на мікрохвильовий Stels і промислові масштаби радарних покриттів.
Помітне місце у світовому масштабі досліджень метаматеріалів посідає Польща, де відповідні роботи розпочалися з фокусом на електромагнітні властивості резонаторів і поглиначів. Польські науковці, як-от Станіслав Козель і Магдалена Буднаровська з університетів Варшави й Гдині, внесли ключові інновації, орієнтовані на Stels-технології, антени для морських комунікацій і сенсори для медичної діагностики. Вагомі здобутки стосуються створення поглиначів з використанням метаматеріалів для збору енергії з електромагнітних полів.
Внесок України в розвиток напряму метаматеріалів ― це понад 100 статей з 2000 року, більшість з яких — стосовно метаферитів — створили науковці Харкова (О. Рибін, С. Тарапов, С. Шульга та ін.). Ці вчені успішно працюють у своїй ніші, здійснюючи дослідження і використовуючи двокомпонентний тип метаматеріалів з феритовими й діелектричними включеннями для радарних поглиначів, циркуляторів, фазозмінних перемикачів, мініатюризованих широкосмугових антен.
Окремо варто відзначити здобутки професора Вадима Слюсаря, який своїми глибокими аналітичними оглядами висвітлив важливі аспекти використання метаматеріалів, розробив теорію для антенних рішень на основі SRR і запропонував інноваційні метаматеріальні структури на основі подвійної стрічки Мебіуса на частотах до 700 МГц.
Завершуючи ретроспективний огляд робіт стосовно метаматеріалів, варто відзначити, що вчені наукової школи з мікрохвильових телекомунікацій Київського політехнічного інституту 1989 року створили, математично змоделювали й запатентували винахід мікрохвильового режекторного фільтра, утвореного паралельно під’єднаними до мікрострічкової лінії двома лінійними смужковими резонаторами (з довжинами півхвилі та хвилі відповідно), що здійснює повне поглинання енергії електромагнітних хвиль.
У процесі досліджень окремих публікацій щодо SRR ми звернули увагу, що його внутрішнє кільце має довжину майже удвічі меншу ніж зовнішнє. Ця особливість стала основою для нашого еквівалентного представлення SRR як сукупності двох окремо взятих і паралельно під’єднаних резонаторів.
Скориставшись авторським підходом до математичного моделювання характеристик систем з паралельно під’єднаними резонаторами, ми отримали формули для елементів матриці розсіювання електродинамічної структури, представлені в узагальненому вигляді через коефіцієнти зв’язку кожного окремо взятого резонатора з лінією передачі. Виявлені закономірності зокрема показують, що для отримання метаматеріальних властивостей принципово необхідно, щоб резонатори, які входять до складу метаматеріальної комірки, використовували різні типи синфазних і протифазних чи електричних і магнітних коливань або мали конструкції, що можуть бути представлені як магнітні й електричні диполі.
Висвітлення метаматеріальних аспектів через інтеграцію резонаторних структур як комірок метаматеріалів дало змогу наочно моделювати основні властивості мікрохвильових пристроїв на основі комбінації резонаторів різних типів.
У фокусі досліджень — діелектричні та смужкові резонатори в паралельних каналах, що імітують SRR для режекторних фільтрів і структур із взаємно розстроєними резонаторами. Запропоновані 8-полюсні резонансні структури мають аналогію з метаматеріалами, даючи змогу в перспективі проєктувати частотно-селективні поверхні з контролем їхньої ширини смуги. Експерименти підтверджують високу добротність та низькі втрати, роблячи ці структури прототипами для метаматеріалів у новітніх системах зв’язку.
У межах грантового проєкту Національного фонду досліджень України «Мікрохвильові пристрої на основі резонансних структур з метаматеріальними властивостями для захисту життєдіяльності та інформаційної безпеки України» проведені як наукові дослідження, так і розроблення нових мікрохвильових пристроїв з метаматеріальними властивостями. Запропоновано нові програмні комплекси для визначення параметрів метаматеріальної структури з урахуванням реальних добротностей резонаторів, які входять до її складу, що використовується для розроблення частотно-селективних пристроїв.
Створено нову модель метаматеріальних пристроїв на базі мостових резонансних структур, що дає змогу демонструвати такі особливості метаматеріалів, як аномальне поглинання, аномальна добротність, аномальна фазова характеристика та груповий час затримки. Розроблено нові типи пристроїв з використанням кількох резонаторів різного типу із суттєво різними добротностями.
Розроблено метаматеріальні антени нового типу на базі діелектричних резонаторів, розміщених у місцях еліптичної поляризації SIW-структур, що демонструють високу ефективність під час їхнього використання як ректен. Сконструйовано нові типи резонансних структур з метаматеріальними властивостями, які призначені для використання у мікрохвильових генераторах із низькими рівнями фазових шумів.
Фахівці Інституту загальної та неорганічної хімії імені В.І. Вернадського НАН України (як співвиконавці грантового проєкту) синтезували та виготовили діелектричні матеріали й резонатори на їх основі для практичної реалізації 3D-комірок метаматеріалів.
Отримані нові наукові результати щодо метаматеріальних властивостей резонансних структур на основі комбінацій мікросмужкових і діелектричних резонаторів, а також розроблені зразки мікрохвильових пристроїв можуть бути використані для керування електромагнітними хвилями під час створення сучасних і перспективних радіотехнічних і телекомунікаційних систем різного призначення, зокрема з метою підвищення рівня захисту інформаційних каналів зв’язку та забезпечення життєдіяльності населення і військовослужбовців. Одним із прикладів є виконання КПІ ім. Ігоря Сікорського та Центром фізичних наук та технологій (FMTC, Вільнюс, Литва) спільного міжнародного грантового проєкту НАТО G6002 3D Metamaterials for Energy Harvesting and Electromagnetic Sensing (2023–2026 рр.) за програмою «Наука заради миру та безпеки».
Михайло ІЛЬЧЕНКО,
академік НАН України
Газета “Світ”, № 22, листопад 2025 р.