طور المهندسون في جامعة تافتس أساليب جديدة لتصنيع أكثر كفاءة المواد التي تتصرف بطرق غير عادية عند التفاعل مع طاقة الموجات الدقيقة، مع ما يترتب على ذلك من آثار محتملة على الاتصالات السلكية واللاسلكية، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والرادار، والأجهزة المحمولة، والأجهزة الطبية. تُعرف هذه المواد باسم المواد الخارقة، ويشار إليها أحيانًا باسم "المواد المستحيلة" لأنها تستطيع، من الناحية النظرية، ثني الطاقة حول الأشياء لجعلها تبدو غير مرئية، أو تركيز نقل الطاقة إلى أشعة مركزة، أو لديها قدرات تشبه الحرباء لإعادة تشكيل امتصاصها. أو نقل نطاقات التردد المختلفة.
يقوم الابتكار ببناء المواد الفوقية باستخدام طباعة نفث الحبر منخفضة التكلفة ، مما يجعل الطريقة سهلة الوصول وقابلة للتطوير على نطاق واسع مع توفير مزايا مثل القدرة على تطبيقها على الأسطح الكبيرة المتوافقة أو الواجهة مع البيئة البيولوجية. إنه أيضًا أول دليل على أنه يمكن استخدام البوليمرات العضوية "لضبط" خصائص المواد الفوقية كهربائيًا.
المواد الفوقية الكهرومغناطيسية والأسطح الفوقية - نظائرها ثنائية الأبعاد - هي هياكل مركبة تتفاعل مع الموجات الكهرومغناطيسية بطرق غريبة. وتتكون المواد من هياكل صغيرة - أصغر من الأطوال الموجية للطاقة التي تؤثر عليها - مرتبة بعناية في أنماط متكررة. تعرض الهياكل المرتبة إمكانات فريدة للتفاعل الموجي تتيح تصميم المرايا والعدسات والمرشحات غير التقليدية القادرة على منع الموجات أو تحسينها أو عكسها أو نقلها أو ثنيها بما يتجاوز الإمكانات التي توفرها المواد التقليدية.
قام مهندسو Tufts بتصنيع المواد الخارقة الخاصة بهم باستخدام بوليمرات موصلة كركيزة ، ثم طباعة نفث الحبر لأنماط معينة من الأقطاب الكهربائية لإنشاء رنانات الميكروويف. الرنانات هي مكونات مهمة تستخدم في أجهزة الاتصالات التي يمكن أن تساعد في تصفية تحديد ترددات الطاقة التي يتم امتصاصها أو نقلها. يمكن ضبط الأجهزة المطبوعة كهربائيًا لضبط نطاق الترددات التي يمكن للمُعدِلات ترشيحها.
يمكن أن يكون لأجهزة المواد الفوقية التي تعمل في طيف الموجات الدقيقة تطبيقات واسعة النطاق للاتصالات السلكية واللاسلكية ، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، والرادار ، والأجهزة المحمولة ، حيث يمكن للمواد الخارقة أن تعزز بشكل كبير حساسية الإشارة وقوة الإرسال. يمكن أيضًا تطبيق المواد الفوقية التي تم إنتاجها في الدراسة على اتصالات الأجهزة الطبية لأن الطبيعة المتوافقة حيويًا للبوليمر العضوي ذي الأغشية الرقيقة يمكن أن تمكن من دمج أجهزة استشعار مقترنة بالإنزيم ، في حين أن مرونتها المتأصلة يمكن أن تسمح بتشكيل الأجهزة في أسطح متوافقة ومناسبة للاستخدام على أو في الجسم.
قال Fiorenzo Omenetto ، أستاذ الهندسة فرانك سي دوبلي في كلية الهندسة بجامعة تافتس ، ومدير قسم الهندسة في جامعة تافتس: "لقد أظهرنا القدرة على ضبط خصائص الأسطح الفوقية والأجهزة الوصفية التي تعمل في منطقة الميكروويف من الطيف الكهرومغناطيسي كهربائيًا". Tufts Silklab حيث تم إنشاء المواد ، والمؤلف المقابل للدراسة. "يمثل عملنا خطوة واعدة مقارنة بتقنيات الأجهزة الوصفية الحالية ، والتي تعتمد إلى حد كبير على المواد وعمليات التصنيع المعقدة والمكلفة."
تعتمد استراتيجية الضبط التي طورها فريق البحث كليًا على مواد الأغشية الرقيقة التي يمكن معالجتها وترسيبها من خلال تقنيات قابلة للتطوير الشامل ، مثل الطباعة والطلاء ، على مجموعة متنوعة من الركائز. مكنت القدرة على ضبط الخصائص الكهربائية لبوليمرات الركيزة المؤلفين من تشغيل الأجهزة ضمن نطاق أوسع بكثير من طاقات الميكروويف وترددات أعلى (5 جيجاهرتز) مما كان يُفترض أنه ممكن مع المواد التقليدية غير المعدنية (<0.1 جيجاهرتز).
لا يزال تطوير المواد الخارقة للضوء المرئي ، الذي يبلغ طوله الموجي نانومترًا ، في مراحله الأولى بسبب التحديات التقنية المتمثلة في إنشاء مصفوفات صغيرة من الهياكل الأساسية على هذا النطاق ، ولكن المواد الفوقية لطاقة الميكروويف ، والتي لها أطوال موجية بمقياس سنتيمتر ، أكثر قابلية لحل طرق التصنيع الشائعة. يقترح المؤلفون أن تلفيق الطريقة التي يصفونها باستخدام الطباعة النافثة للحبر وغيرها من أشكال الترسيب على بوليمرات موصلة للأغشية الرقيقة يمكن أن تبدأ في اختبار حدود المواد الخارقة التي تعمل على ترددات أعلى من الطيف الكهرومغناطيسي.