Ein Metamaterial ist ein Material mit besonderen Eigenschaften, die sich aus seiner Struktur und nicht aus seiner chemischen Zusammensetzung ergeben. Das bekannteste Metamaterial sind Materialien mit negativem Brechungsindex, das heißt, sie biegen das Licht „falsch“ – also deutlich stärker als jedes Material mit positivem Brechungsindex.
Materialien mit negativem Brechungsindex finden Anwendung in „Superlinsen“ – Speziallinsen mit dem Potenzial, Merkmale aufzulösen, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind, und mögliche Tarnkappen, die sichtbares Licht glatt um ein Objekt lenken, anstatt es herkömmlicherweise zu absorbieren oder zu reflektieren. Diese Materialien könnten auch in der Plasmonik verwendet werden, einem exotischen neuen Computerbereich, der Dichtewellen in Ladungsträgern für Berechnungen nutzt.
Die meisten Metamaterialien werden für Anwendungen im Zusammenhang mit Elektromagnetismus und Optik verwendet, z. B. Strahlsteuerungen, Modulatoren, Bandpassfilter, Linsen usw. Sie sind sich wiederholende Gitter aus zellulären Komponenten mit einer Zellgröße, die ungefähr der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung entspricht sie versuchen zu arbeiten. Ein Metamaterial, das zur Umleitung von Mikrowellen entwickelt wurde, hätte also Zellen im Millimeterbereich, während ein Metamaterial, das für optische Anwendungen entwickelt wurde, viel kleinere Zellen im Bereich von 380 nm bis 780 nm haben würde.
Metamaterialien werden oft mit Nanotechnologie in Verbindung gebracht, weil die winzigen sich wiederholenden Zellstrukturen für optische Anwendungen in Nanometern gemessen werden. Die Herstellung von Metamaterialien erfordert möglicherweise neue Herstellungsmethoden, die nur durch Nanotechnologie möglich werden. Der Fortschritt der Nanotechnologie in den kommenden Jahrzehnten wird neue Metamaterialien freisetzen und deren Kosten senken.
Es gibt mindestens ein bekanntes natürliches Metamaterial – den Opal. Der Opal besteht aus Cristobalit, einem Hochtemperatur-Polymorph aus Quarz und Tridymit, das bei Vulkanausbrüchen entsteht. Das resultierende Material besteht aus einer Vielzahl winziger Mineralzellen, die ständig gegeneinander taumeln und den Makroeffekt einer schönen Darstellung mehrerer Farben erzeugen, vor allem eines brillanten Blaus. Die Forschung zu natürlichen Opalen und Metamaterialqualitäten ist im Gange.