Genetisk tilgang hjælper med at designe bredbåndsmetamateriale

Et specielt formet materiale, der kan levere tilpasset bredbåndsabsorption i infrarød, kan identificeres og fremstilles ved hjælp af "genetiske algoritmer, "ifølge Penn State -ingeniører, der siger, at disse metamaterialer kan afskærme genstande fra infrarøde sensorer, beskytte instrumenter og blive fremstillet til at dække en række bølgelængder.

"Metamaterialet har en høj absorption over bred båndbredde, "sagde Jeremy A. Bossard, postdoktor i elektroteknik. "Andre skærme er udviklet til en smal båndbredde, men dette er det første, der kan dække en super-oktav båndbredde i det infrarøde spektrum. "

At have en bredere båndbredde betyder, at ét materiale kan beskytte mod elektromagnetisk stråling over en lang række bølgelængder, gør materialet mere nyttigt. Forskerne kiggede på sølv, guld og palladium, men fandt ud af, at palladium gav bedre båndbredde dækning. Dette nye metamateriale er faktisk lavet af lag på et siliciumsubstrat eller underlag. Det første lag er palladium, efterfulgt af et polyimidlag. Oven på dette plastlag er et palladiumskærmlag. Skærmen er udførlig, komplicerede udskæringer - sub bølgelængde geometri - der tjener til at blokere de forskellige bølgelængder. Et polyimidlag dækker hele absorberen.

"Så længe det korrekt designet mønster på skærmen er meget mindre end bølgelængden, materialet kan fungere effektivt som en absorber, "sagde Lan Lin, kandidatstuderende i elektroteknik. "Det kan også absorbere 90 procent af den infrarøde stråling, der kommer ind i op til en 55 graders vinkel til skærmen."

For at designe den nødvendige skærm til dette metamateriale, forskerne brugte en genetisk algoritme. De beskrev skærmmønsteret ved hjælp af en række nuller og dem - et kromosom - og lod algoritmen tilfældigt vælge mønstre for at oprette en indledende population af kandidatdesign. Algoritmen testede derefter mønstrene og eliminerede alt andet end det bedste. De bedste mønstre blev derefter tilfældigt justeret til anden generation. Igen kasserede algoritmen det værste og bevarede det bedste. Efter en række generationer opfyldte de gode mønstre og overgik endda designmålene. Undervejs bevaredes det bedste mønster fra hver generation. De rapporterer deres resultater i et nyligt nummer af ACS Nano .

"Vi ville ikke kunne få en oktav båndbredde dækning uden den genetiske algoritme, "sagde Bossard." Tidligere har forskere har forsøgt at dække båndbredden ved hjælp af flere lag, men flere lag var vanskelige at fremstille og registrere korrekt. "

Dette udviklede metamateriale kan let fremstilles, fordi det simpelthen er lag af metal eller plast, der ikke har brug for kompleks justering. Den klare hætte af polyimid tjener til at beskytte skærmen, men hjælper også med at reducere enhver impedansfejl, der kan opstå, når bølgen bevæger sig fra luften ind i enheden.

"Genetiske algoritmer bruges i elektromagnetik, men vi er på forkant med at bruge denne metode til at designe metamaterialer, "sagde Bossard.