Новые 3D-печатные метаматериалы обладают необычными оптическими свойствами

Команда инженеров из Университета Тафтса создала серию трехмерных печатных метаматериалов, обладающих уникальными оптическими или микроволновыми свойствами, которые превосходят то, что возможно при использовании обычных электронных или оптических материалов. Подходы к изготовлению, сформулированные учеными, показывают потенциал, как настоящего, так и будущего, 3D-печати для расширения разнообразия геометрических конструкций и материалов, что приводит к устройствам, имеющим уникальные оптические свойства. В одном случае ученые взяли вдохновение из сложного глаза мотылька, чтобы разработать полусферическое устройство, которое может захватывать электромагнитные сигналы с любого направления на определенных длинах волн. Это исследование было недавно опубликовано в журнале Microsystems & Nanoengineering опубликованном Springer Nature.

Геометрия мотылевого глаза вдохновляет 3D-печатную антенну, которая поглощает определенные микроволновые частоты с любого направления. (Фото предоставлено: Ходжат Неджад)

Метаматериалы охватывают возможности обычных материалов в устройствах, используя геометрические особенности, организованные в виде повторяющихся структур в масштабах, меньших, чем длины волн энергии, на которые влияют или обнаруживают. Последние разработки в технологии 3D-печати позволяют формировать множество форм и структур метаматериалов и в гораздо меньших масштабах. В исследовании ученые из Nano Lab в Тафтсе объясняют гибридный метод изготовления, использующий 3D-печать, нанесение металлических покрытий и травление для получения метаматериалов, состоящих из многогранных геометрий и новых функциональных возможностей для длин волн в микроволновом диапазоне.

Например, они разработали массив миниатюрных грибовидных структур, каждая из которых состояла из маленького узорчатого металлического резонатора в верхней части стебля. Эта специфическая настройка позволяет поглощать микроволны фиксированных частот в зависимости от выбранной геометрии «грибов» и их расстояния. Такие метаматериалы могут быть полезны в таких приложениях, как антенны в телекоммуникациях и в качестве датчиков в медицинской диагностике, или в качестве детекторов в приложениях визуализации.

Другие устройства, созданные исследователями, включают параболические отражатели, которые избирательно поглощают и передают определенные частоты. Такие концепции могут оптимизировать оптические устройства, объединяя функции отражения и фильтрации в одном устройстве. «Способность объединять функции с помощью метаматериалов может быть невероятно полезной», сказал Самир Сонкусале, профессор электротехники и вычислительной техники в Технической школе Университета Тафтса, который возглавляет Нано-лабораторию в Тафтсе и является соответствующим автором исследование. «Возможно, мы могли бы использовать эти материалы, чтобы уменьшить размеры спектрометров и других оптических измерительных приборов, чтобы они могли быть предназначены для портативных полевых исследований».

Продукты интеграции оптического / электронного моделирования с трехмерным изготовлением нижележащей подложки исследователи называют метаматериалами, имплантированными с геометрической оптикой, или MEGO. Другие размеры, формы и ориентации узорной 3D-печати могут быть задуманы для производства MEGO, которые поглощают, отражают, улучшают или изгибают волны способами, которые было бы трудно осуществить с помощью традиционных подходов к изготовлению.

В настоящее время доступно несколько технологий для 3D-печати, и в настоящем исследовании используется стереолитография, которая фокусирует свет для полимеризации фотоотверждаемых смол в предпочтительные формы. Другие технологии 3D-печати, такие как двухфотонная полимеризация, могут предлагать разрешение печати до 200 нм, что позволяет изготавливать еще более тонкие метаматериалы, которые могут обнаруживать и контролировать электромагнитные сигналы даже с меньшей длиной волны, возможно, содержащие видимый свет.

Полный потенциал 3D-печати для MEGO еще не реализован. С этой технологией мы можем сделать гораздо больше, и огромный потенциал по мере неизбежного развития 3D-печати. ​​

Айдын Садеки, ведущий автор и аспирант, Техническая школа Университета им. Тафтса.

Другие авторы, участвующие в исследовании, включают Ходжатоллу Резаи Неджада, аспиранта, и Рэйчел Овиунг, аспирантуру в Технической школе Университета Тафтса.

Этому исследованию способствовали Соглашение о сотрудничестве армии США № W911QY-15-2-0001 и грант Управления по военно-морским исследованиям № N0014-15-1-2550.

Source link