Forskere 3-D print metamaterialer med nye optiske egenskaber

Et team af ingeniører ved Tufts University har udviklet en serie af 3D-trykte metamaterialer med unikke mikrobølgeovn eller optiske egenskaber, der går ud over, hvad der er muligt ved hjælp af konventionelle optiske eller elektroniske materialer. Fremstillingsmetoderne udviklet af forskerne demonstrerer potentialet, både nutid og fremtid, af 3D-udskrivning for at udvide sortimentet af geometriske designs og materialekompositter, der fører til enheder med nye optiske egenskaber. I et tilfælde, forskerne hentede inspiration fra et møls sammensatte øje til at skabe en halvkugleformet enhed, der kan absorbere elektromagnetiske signaler fra enhver retning ved udvalgte bølgelængder. Forskningen blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Mikrosystemer og nanoengineering , udgivet af Springer Nature.

Metamaterialer udvider mulighederne for konventionelle materialer i enheder ved at gøre brug af geometriske funktioner arrangeret i gentagende mønstre i skalaer, der er mindre end bølgelængderne af energi, der detekteres eller påvirkes. Ny udvikling inden for 3D-printteknologi gør det muligt at skabe mange flere former og mønstre af metamaterialer, og i stadig mindre skalaer. I undersøgelsen, forskere ved Nano Lab på Tufts beskriver en hybrid fremstillingsmetode ved hjælp af 3D-print, metalcoating og ætsning for at skabe metamaterialer med komplekse geometrier og nye funktionaliteter for bølgelængder i mikrobølgeområdet.

For eksempel, de skabte en række små svampeformede strukturer, hver holder en lille mønstret metalresonator øverst på en stilk. Dette særlige arrangement gør det muligt at absorbere mikrobølger med bestemte frekvenser, afhængig af den valgte geometri af "svampene" og deres afstand. Brug af sådanne metamaterialer kan være værdifuld i applikationer såsom sensorer i medicinsk diagnose og som antenner i telekommunikation eller detektorer i billeddannelsesapplikationer.

Andre enheder udviklet af forfatterne omfatter parabolske reflektorer, der selektivt absorberer og transmitterer visse frekvenser. Sådanne begreber kan forenkle optiske enheder ved at kombinere refleksions- og filtreringsfunktioner til en enhed. "Evnen til at konsolidere funktioner ved hjælp af metamaterialer kan være utrolig nyttig, " sagde Sameer Sonkusale, professor i elektrisk og computerteknik ved Tufts University's School of Engineering, der leder Nano Lab på Tufts og er tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Det er muligt, at vi kunne bruge disse materialer til at reducere størrelsen af ​​spektrometre og andre optiske måleenheder, så de kan designes til bærbare feltstudier."

Produkterne ved at kombinere optisk/elektronisk mønster med 3D-fremstilling af det underliggende substrat omtales af forfatterne som metamaterialer indlejret i geometrisk optik, eller MEGO'er. Andre former, størrelser, og orienteringer for mønstret 3-D-udskrivning kan tænkes at skabe MEGO'er, der absorberer, forbedre, reflektere eller bøje bølger på måder, der ville være vanskelige at opnå med konventionelle fremstillingsmetoder.

Der er nu en række teknologier tilgængelige til 3-D-print, og den nuværende undersøgelse anvender stereolitografi, som fokuserer lys for at polymerisere fotohærdbare harpikser til de ønskede former. Andre 3D-udskrivningsteknologier, såsom to fotonpolymerisation, kan levere printopløsning op til 200 nanometer, som muliggør fremstilling af endnu finere metamaterialer, der kan detektere og manipulere elektromagnetiske signaler med endnu mindre bølgelængder, muligvis også synligt lys.

"Det fulde potentiale ved 3D-udskrivning til MEGO'er er endnu ikke realiseret, " sagde Aydin Sadeqi, kandidatstuderende i Sankusales laboratorium på Tufts University School of Engineering og hovedforfatter af undersøgelsen. "Der er meget mere, vi kan gøre med den nuværende teknologi, og et stort potentiale, efterhånden som 3D-print uundgåeligt udvikler sig."