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.
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.