Metamalzemeler çok geniş bir yelpazede kullanım olanağı sunmaktadır. Farklı fiziksel özelliklerine göre, metamalzemeler akustik, termal, fotonik ve elektromanyetik (EM) metamalzemeler vb. olarak sınıflandırılabilirler. İnşaat sektöründen akustik kullanımlara, enerji hasatlama uygulamalarından milli savunmadaki kullanımına kadar çeşitli metamalzemeler hakkında araştırmalar sürmekte. Güncel olarak kuantum ve görelilik konularında da metamalzemeler yer edinmeye başladı.

Enerji, güç, sinyaller ve ışık ile ilgili alanlarda özellikle rezonansa girme özellikleri ile büyü gibi birtakım özelliklere sahip olan elektromanyetik metamalzemeler, oldukça fazla araştırılmakta. Geleceğimizin enerji sorununda ve hayatımızın her alanında iç içe olduğumuz elektromanyetik dalgaları manipüle ederek istediğimiz özellikleri kazandırmamızda etkili olacaklar. Oldukça yeni olan ve henüz yaygın bir kullanım alanına sahip olmayan bu metamalzemeler, doğadaki materyallerden farklı olarak ”negatif kırılma indisine sahip olma, aykırı ışık kırılmaları, asimetrik yayılma, yapay manyetizma” elektromanyetiksel özelliklerini barındırırlar. Bu spesifik elektromanyetik özelliklerine sahip olduklarından, görünmezlik pelerini, süper lensler, elektromanyetik dalga emilimi, kablosuz güç aktarımı ve mikro-şerit antenler alanında metamalzemeler büyük potansiyel uygulamalara sahiptir. Son yıllarda, metamalzemelerin manyetik rezonans (MR) görüntülemenin çözünürlüğünü arttırabileceği bildirilmiştir.

EM metamalzemelerin eldeleri yapay olarak çok küçük boyutlar kullanılarak gerçekleştirilebilir ve kompozit (bileşim) malzemelerdir. Malzemenin dalgaya karşı bütün olarak etkin bir özellik göstermesi, tek tek tasarlanan birim hücre yapılarının periyodik dizilimi ile sağlanır.

Metamalzemelerin bu farklı yapısı anlaşılacağı üzere kimyasal değil, tamamen uygun olarak ayarlanan fiziksel ve periyodik bir dizilimden gelir. Bu yüzden optimize boyutlarla tasarlanmaları önem taşır. Yapı içindeki homojensizliklerin dalga boyundan çok küçük olduğu durumlar incelenir. Bu tür metamalzemenin elektromanyetik cevabı etkin elektriksel ve manyetik geçirgenlik sayesinde istenilen yönde verdirilebilir. Benzetme şudur ki, gelen radyasyon, çiçek bahçesindeki bir fil gibi davranır ve filin dev ayak izinden etkilenen şeyler etkin manyetik geçirgenlik ve elektriksel geçirgenlik olur . Bu sebeple metamalzemenin bir ortamda etkin özellik gösterebilmesi için, halkaların yarıçaplarının dalga boyundan çok daha küçük olması gerekir.

Elektromanyetik metamalzemelerin tarihçesi:

Maxwell’in harika denklemleri, metamalzeme gibi elektromanyetik dalgayla etkileşerek indüklenmiş bir elektrik enerjisi üreten ve kapalı yüzeyleri olan materyallerin davranışlarını açıklamak için kullanılan denklemlerdir. 1968 yılında rus bilim insanı Victor Veselago, Maxwell denklemleri üstüne yaptığı çalışmalara dayanarak, eş zamanlı olarak negatif elektriksel ve manyetiksel geçirgenliğe sahip olan materyallerin olması halinde, bu materyallerin elektromanyetiksel karakterlerinin bilinenden çok daha farklı olacağına ve bu farklı özelliklerden birisinin de, ‘‘negatif kırılma indisine sahip olma’’ olduğuna dair bir teori ortaya atmıştır. Böylece, Veselago’nun ‘‘solak malzeme’’ diye tanımladığı bu materyaller ilk kez teoride var olmuştur.

Plazma frekansı, metallerin elektromanyetik dalgaya karşı transparan hale geçtikleri yüksek ve değişken frekanstır. Bu frekansta metaller sanal elektriksel geçirgenliğe sahip olurlar. Plazma frekansını, belli mikrodalga frekanslarında sağlayan; ince, düz ve sıralı kabloların varlığı zaten biliniyordu ancak negatif manyetik geçirgenlik değerine sahip olan materyallerin de olabileceği bilinmiyordu.

Daha öncesinde, kırılma indisi, kayıpları açıklamak için karmaşık şekilde belirtilmiş, fakat işaretinin negatif olabileceği hiç sorgulanmamıştır.

Önceleri olanaksız bulunan, uzun yıllar ilgi görmeyen metamalzemenin öncülerinden Pendry ve arkadaşları, manyetik dielektrikler üstüne yerleştirdikleri, ortası yarıklı yapıda, bir LC devre gibi davranan halkalar sayesinde; bu halkaların eksenine doğru manyetik alan uygulandığında, bileşik ve polarize bir manyetik alan ile cevap verdiklerini, akım oluşturmalarının yanında, ortam ve malzeme empedansının eşleştiği durumda bir polarizasyon rezonansı oluşturduğunu ve bu rezonans frekansında etkin negatif manyetik geçirgenliğe sahip olabildiğini keşfetmişlerdir. Bu öncü keşif sayesinde eş zamanlı negatif elektriksel ve manyetiksel geçirgenliğe sahip olan malzemeler artık yalnızca teori düzeyinde değildir ve uygun bir birleşim ile belli frekanslarda negatif kırılma indisine sahip olurlar.

Negatif manyetik geçirgenlik ve negatif elektriksel geçirgenlik negatif kırılma indisine sebep olarak, ışının beklenenin tersi yönüne kırılmasına (Snell yasasına aykırı bir biçimde) olanak vermiştir. Ters kırılan bu dalganın hem enerjinin akış hızının yönü (poynting vektörü) ve ilerleyiş yönü (dalga vektörü) hem de grup ve faz hızlarının yönü terstir. Üçlü manyetik alan , elektrik alan ve dalga vektörü; sağ el kuralına uymadığı için bu sınıf materyallere solak materyal denmiştir.

1999 yılında bu birleşim malzemelere ilk kez Amerikalı M. Walser Yunancada ‘öte, ileri materyal’ anlamlarına gelen ‘metamalzeme’ terimini kullanmıştır. 2000 yılında patentli olarak ilk fabrike edilen metamalzeme D. R. Smith ve takımı tarafından ince bakır yarıklı halkalar ve sıradan kablo segmentleri kullanılarak bir devre tahtası üstünde tasarlanmış ve arzulanan emilim gerçekleştirilebilinmiştir. Bu icattan sonra da gerek simülasyon gerek deneysel olarak metamalzemeler üretilmeye devam edilmiştir.

Rezonant olan ve rezonant olmayan olarak da sınıflandırılabilen Elektromanyetik metamalzemeler de, kendi içlerinde ikili negatif, ikili pozitif ve tek negatif – pozitif olarak sınıflandırılırlar.

Rezonant elektromanyetik metamalzemelerin kullanım alanları:

Fiziksel anlamıyla bir materyalde absorpsiyon; ışıma enerjisinin, elektromanyetik dalganın madde tarafından tutulması başka bir deyişle soğrulması anlamına gelir. Ortamın empedansı ile materyalin ön katmanının empedansı uyuştuğu zaman maksimum emilim gerçekleşir Elektromanyetik dalganın absorpsiyonuna odaklanıldığında, normal materyaller için mümkün olmasa da, uygun geometrideki metamalzemelerin ilk katmanları belli rezonans frekanslarında ortamın empedansıyla uyuşabilir. Uyumlu empedansın olduğu rezonans frekansında maddede hapsedilen elektromanyetik dalga maksimum düzeydedir ve rezanatörlerde paralel ve sürekli olmayan akımlar oluşur.

Pelerinlemede metamazlemeler: Metamalzemelerle ilgili hayranlık uyandırıcı bir başka özellik ise, pelerinleme yapılarıdır. Pelerinleme henüz mikrodalga frekansında gerçeklerştirilmiş olsa da (Duke üniversitesi), görünür ışık için tasarlanabilen bir yapı, kırılma indisinin mutlakça 1’den küçük olmasını ve dalganın materyalin etrafını dolaşarak onu pelerinlemesi ve ışık hızını geçiyor gibi davrandığı anlamına gelmektedir. Belki de gerçek anlamda bir görünmezlik pelerinin tasarlanması mümkündür.Yıllardır imkansız kabul edilen görünmezlik bu malzemelerin ortaya çıkışıyla mümkün kılınmıştır. Ters Doppler, Ters Çerenkov vb. Sıra dışı fiziksel etkilere sahip bu materyaller, ileride materyal sınıfının geliştirilmesi ile birlikte filmlerde karşımıza çıkan görünmezlik pelerini veya süper lenslerin gerçek olmasını sağlayabilirler. Günümüzde kısmi kamuflaj ve görünmezliğe sahip olabilseler de henüz görünür spektrumdaki dalgaları absorbe edip tam anlamıyla görünmez olabilen materyaller yoktur.

Sol elli malzemelerin daha şaşırtıcı bir özelliği de, sönümlenmekte olan bir dalgayı yükseltgeme özelliğidir. Bu özelliği sayesinde sol elli malzemeler süper lenslerin yapımında rol oynamaktadır. Bu tür malzemeler doğada bulunmamalarına karşın son zamanlarda belli bir frekans bölgesinde negatif etkin elektriksel ve manyetik geçirgenlik sabitine sahip olan insan yapımı bileşik malzemeler üretilmiştir.

Enerji hasatlayıcı yapılar: Metamalzeme tabanlı soğurucular ve metamalzeme tabanlı enerji hasatlayıcılar arasında önemli bir ayrım bulunmaktadır. Enerji hasatlama, metamalzemeler ile yapılan çalışma konseptlerinden biridir. Günümüzde, enerji hasadının bir çok enerji sınıfında yapıldığı bilinmektedir. Örneğin akustik veya elektromanyetik enerji alternatif akıma (AC) veya doğru akıma (DC) çevrilmek için kullanılabilmektedir.

Temel prensibi, Faraday’ın indüksiyon kanunu olan soğurucu yapıda hapsedilen ve girişimler yapan elektromanyetik dalga, metal desende akım indüklenmesine neden olmaktadır. Oluşturulan boşlukta ise bir gerilim yaratılarak yoğun elektrik alan depolanır. Enerji hasadı, burada oluşan enerjiyi toplamak için bir devre elemanı yerleştirilmesi ile gerçekleşir. Bu devre elemanı, üstünde güç harcatacak ve elektromanyetik enerjiyi AC akıma çevirecektir. Elektromanyetik gücü hasatlaması ve alternatif akıma çevirmesi, direnç ve rezone edici tasarım sayesinde olur. Ayrık halka rezanatörlerin boşluk olan yerine direnç yerleştirerek enerji hasatlama fikri ilk olarak Thamer Almoneef tarafından, Waterloo üniversitesinde tez çalışması olarak denenmiştir.

Yakın gelecekte enerjisini otonom şekilde sağlayan güç kaynakları son derece kritik bir öneme sahiptir. Bu güç kaynakları ise, geliştirilen teknolojiler gereği, ne kadar ufak ve ucuz maliyetli olursa o kadar iyidir. Dolayısıyla son yıllarda, mikro enerji hasatlama sistemleri çalışmalarına duyulan ilgi oldukça artmıştır. Elektromanyetik metamalzemeler, elektromanyetik enerji hasadı uygulamaları için çok uygun malzemelerdir. Günümüzün başlıca sorunlarından biri olan enerji sorununa yönelik, serbest sinyalleri emerek ve doğrultucu devre yardımı ile topladığı enerjiyi doğru akıma çevirerek kullanılabilir yaparak katkı sağlayabilir.

Günümüzde bu sistemler mikrodalga ve radyo frekansları için dizayn edilseler de, ileride yapılan çalışmalarla daha geniş bir frekans aralığına hitap edebilir ve daha farklı frekansa sahip dalgalar ile etkileşebilir, dolayısıyla daha fazla teknolojiye hizmet edebilirler. Kablosuz şarjlanan cihazlar, daha verimli güneş panelleri yapılabilir, kendiliğinden şarjlanan tıbbi cihazlar üretilerek, ve kablosuz sistemlerde, bir çok alanda kullanılabilirler. Bilimsel kaynaklarda bu konulara yönelik GSM ve ISM ve uydu telekomünikasyon frekans bantları için çalışmalar yapılmaktadır.

Teknolojini gelişimi ile kablosuz iletişimler üstüne yapılan çalışmalar artmaktadır. Bu durum bir yandan çevremizde çokça serbest elektromanyetik dalga olmasını sağlayarak elektromanyetik dalga kirliliğine de sebep olmaktadır. Sık kullanılan frekans bantlarına yönelik hasatlayıcı metamalzeme yapısı hem serbest dalgaları soğurmaya hem de bu dalgaların güçlerini hasatlayarak elektrik enerjisine çevirmeye uygun bir yapıdır.

Projemin amacı, gelecekte hayatımızın içinde çokça göreceğimiz metamalzemeler hakkında araştırma yapmaktır. Elektromanyetik metamalzemeler içinde özel olarak mikro enerji hasadına yönelmek hedeflenmiştir. Mikro enerji hasadı için oldukça uygun yapılar olan metamalzemelerin geliştirilmesi ile, otonom kaynaklar için harika ve serbest elektromanyetik dalgalardan yararlanabilen güç kaynakları olacağı düşünülmektedir. Ayrıca metamalzemeler, günümüzün başlıca sorunlarından biri olan elektromanyetik kirliliği azaltma konusunda da yararlı olabilecek materyallerdir. Amaç doğrultusunda, sıklıkla kullanılan mikrodalga frekans bandında mikro enerji hasadını yapabilecek bir metamalzeme benzetimi bilgisayar programında yapılmış ve metamalzemeye direnç devre elemanı entegre edilerek ve direnç üstünde elektromanyetik güç toplanarak alternatif akıma çevrilmiştir. Direnç eklemeden önce, benzetimi yapılan metamalzemenin, enerji hasadı için önemli bir unsur olan absorpsiyonunu nasıl etkilediğini görmek için dielektrik katmanı değiştirmek ve absorpsiyonu daha iyi sağlayan dielektrikli metamalzemeden hasat yapmak hedeflenmiştir.

Henüz metamalzeme modelleri belirli üniversite ve laboratuvar ortamlarında oluşturulsa ve belirli teknolojilerde kullanılsa da, periyodik dizilen ufak hücre yapıları, optimize değerlerle tasarlanmalarının etkin özellik göstertmesi ve kayıpları gibi sebeplerden ötürü elde yapımı zor malzemelerdir ve bu projede de metamalzeme birim hücresi bir çoğu tez ve araştırmada yapıldığı gibi Computer Simulation Technology Microwave Studio (mikrodalgaların boşlukta materyallerle etkileşimlerini incelemek için optimize değerler atayan ve FEM (sonlu eleman metodu) kullanarak benzetim yapan bilgisayar programı) kullanılarak ve bir metamalzeme modeli referans alınarak bilgisayarda tasarlanmıştır.

2-14 GHz frekans aralığında yüksek frekans çözücü kullanılarak bu frekans aralığında çıkan S-parametreleri ve akım grafiklerinden, araştırılan konuda sahip olduğu davranışlar ölçülmüştür. Bu çalışma kapsamında, absorbe etmeye yönelik tasarlanmış bir metamalzeme birim hücresine ait bir kağıttan referans alınarak boyutları öncesinde CST programında tasarlanmış sonrasında ise öncelikle, özgün olarak, materyalin dielektriği farklı bir malzemeden seçilmiş, sonrasına emilimi daha iyi yapan materyale yerleştirilen devre elemanı ile materyale gelen elektromanyetik dalganın gücünün, alternatif akıma (AC) çevrilme, yani enerjinin hasatlanma miktarına odaklanılmıştır.

Absorpsiyon hesaplamada kullanılan denklem:

Grafikler incelendiğinde dirençli ve dirençsiz çıkan absorpsiyon
sonuçlarında farklılık gözlenmektedir. Ancak hipoteze göre, direnç eklenmesi ile birlikte absorpsiyonun artması gerekse de, bulgularda, kıvrımların derinliğinin, yani absorpsiyonun büyük oranda artmadığı, düzensiz olduğu, direnç değerinin artması ile genel olarak arttığı, 2000 ohm da 11.98 GHz frekansında maksimum (%99,85467 oranında) olduğu ancak genel olarak, dirençsiz hale göre düştüğü gözlemlendi. Tasarlanan yapının yine de 6 GHz frekans – 14 GHz frekans aralığında oldukça verimli bir şekilde absorpsiyon ve devamında hasat yapabileceği görüldü. CST’ de çıkan frekans – akım grafiklerinde oluşan akımın, emilimin maksimum olduğu yerlerde en fazla olduğu görüldü. Maksimum akım tüm denemelerde 7 GHz frekansında oluştuğu tespit edildi. Daha verimli absorpsiyon sağlayan Rogers RT5880 dielektriğinin kullanıldığı yapıda daha çok akım oluştuğu tespit edilmiştir. Böylece sonuçlar kurulan hipotezle uygundur.

Yapı, telekomünikasyon için çok kullanılan uydu frekans bantlarına ait, serbest halde kirlilik yaratan elektromanyetik dalgaların frekans aralıklarında efektif olması ile, hem elektromanyetik kirlilikten yararlanabilecek hem de, bu serbest elektromanyetik dalgalardan enerji hasadı gerçekleştirerek, her geçen gün gelişen, kablosuz otonom sistem ve cihazlarda kullanılmaya yönelik materyaller olmasıyla hayatımızda önemli bir yer tutacak ve bizlere kolaylık sağlayacak türden bir materyaldir. Oluşturulan akımlar, doğru akımla çalışan cihazlar için, doğrultucu devre yardımı ile DC’ye çevrilebilir. Bu mikro hasatlayıcı yapılar, düşük güç çevrimi yapsa dahi, batarya ömrünün uzatılmasında kullanılabilir. Henüz bu sistemler mikrodalga ve radyo frekansları için dizayn edilseler ve az miktarda güç çevrimi yapsalar da, ileride yapılan çalışmalarla daha geniş ve farklı frekans aralıklarına hitap edebilir, dolayısıyla daha fazla teknolojiye hizmet edebilirler ve hasat verimleri gelişebilir. Gelecekte metamalzeme ile mikro enerji hasadı geliştirilerek kablosuz şarjlanan cihazlar, daha verimli güneş panelleri yapılabilir, kendiliğinden şarjlanan tıbbi cihazlar üretilebilir, kablosuz sistemlerde ve birçok alanda kullanılabilirler.