Ingenieure der Tufts University haben neue Methoden für eine effizientere Fertigung entwickelt Materialien die sich bei der Interaktion mit Mikrowellenenergie ungewöhnlich verhalten, mit möglichen Auswirkungen auf Telekommunikation, GPS, Radar, mobile Geräte und medizinische Geräte. Sie sind als Metamaterialien bekannt und werden manchmal auch als „unmögliche Materialien“ bezeichnet, weil sie theoretisch Energie um Objekte herum biegen könnten, um sie unsichtbar erscheinen zu lassen, die Übertragung von Energie in fokussierte Strahlen konzentrieren oder chamäleonartige Fähigkeiten besitzen könnten, um ihre Absorption neu zu konfigurieren oder Übertragung unterschiedlicher Frequenzbereiche.
Die Innovation konstruiert die Metamaterialien unter Verwendung von kostengünstigem Tintenstrahldruck, wodurch das Verfahren allgemein zugänglich und skalierbar ist und gleichzeitig Vorteile bietet, wie die Möglichkeit, auf große anpassungsfähige Oberflächen oder die Schnittstelle zu einer biologischen Umgebung angewendet zu werden. Es ist auch der erste Nachweis, dass organische Polymere verwendet werden können, um die Eigenschaften der Metamaterialien elektrisch zu „tunen“.
Elektromagnetische Metamaterialien und Metaoberflächen – ihre zweidimensionalen Gegenstücke – sind zusammengesetzte Strukturen, die auf besondere Weise mit elektromagnetischen Wellen interagieren. Die Materialien bestehen aus winzigen Strukturen – kleiner als die Wellenlängen der von ihnen beeinflussten Energie –, die sorgfältig in sich wiederholenden Mustern angeordnet sind. Die geordneten Strukturen weisen einzigartige Welleninteraktionsfähigkeiten auf, die das Design von unkonventionellen Spiegeln, Linsen und Filtern ermöglichen, die in der Lage sind, Wellen über die Möglichkeiten herkömmlicher Materialien hinaus entweder zu blockieren, zu verstärken, zu reflektieren, zu übertragen oder zu biegen.
Die Tufts-Ingenieure stellten ihre Metamaterialien her, indem sie leitende Polymere als Substrat verwendeten und dann bestimmte Elektrodenmuster tintenstrahldruckten, um Mikrowellenresonatoren zu erzeugen. Resonatoren sind wichtige Komponenten, die in Kommunikationsgeräten verwendet werden und dabei helfen können, ausgewählte Energiefrequenzen zu filtern, die entweder absorbiert oder übertragen werden. Die gedruckten Geräte können elektrisch abgestimmt werden, um den Frequenzbereich einzustellen, den die Modulatoren filtern können.
Metamaterial-Geräte, die im Mikrowellenspektrum arbeiten, könnten weit verbreitete Anwendungen in Telekommunikation, GPS, Radar und mobilen Geräten haben, wo Metamaterialien ihre Signalempfindlichkeit und Sendeleistung erheblich steigern können. Die in der Studie hergestellten Metamaterialien könnten auch für die Kommunikation medizinischer Geräte verwendet werden, da die biokompatible Natur des Dünnschicht-organischen Polymers den Einbau von enzymgekoppelten Sensoren ermöglichen könnte, während seine inhärente Flexibilität es ermöglichen könnte, Geräte zu anpassungsfähigen Oberflächen zu gestalten, die für die Verwendung geeignet sind am oder im Körper.
„Wir haben die Fähigkeit demonstriert, die Eigenschaften von Meta-Oberflächen und Meta-Geräten, die im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten, elektrisch abzustimmen“, sagte Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor für Ingenieurwissenschaften an der Tufts University School of Engineering, Direktor des Tufts Silklab, wo die Materialien erstellt wurden, und korrespondierender Autor der Studie. „Unsere Arbeit stellt einen vielversprechenden Schritt im Vergleich zu aktuellen Meta-Device-Technologien dar, die weitgehend von komplexen und kostspieligen Materialien und Herstellungsprozessen abhängen.“
Die vom Forschungsteam entwickelte Abstimmungsstrategie basiert vollständig auf Dünnschichtmaterialien, die durch massenskalierbare Techniken wie Drucken und Beschichten auf einer Vielzahl von Substraten verarbeitet und abgeschieden werden können. Die Möglichkeit, die elektrischen Eigenschaften der Substratpolymere abzustimmen, ermöglichte es den Autoren, die Geräte in einem viel größeren Bereich von Mikrowellenenergien und bis zu höheren Frequenzen (5 GHz) zu betreiben, als dies mit herkömmlichen nichtmetallischen Materialien (<0.1 .) möglich war GHz).
Die Entwicklung von Metamaterialien für sichtbares Licht, das eine Wellenlänge im Nanometerbereich hat, befindet sich aufgrund der technischen Herausforderungen bei der Herstellung winziger Anordnungen von Unterstrukturen in diesem Maßstab noch in den Anfängen, aber Metamaterialien für Mikrowellenenergie, die Wellenlängen im Zentimeterbereich aufweisen, sind der Auflösung gängiger Herstellungsverfahren besser zugänglich. Die Autoren schlagen vor, dass die Herstellung Methode, die sie mit Tintenstrahldruck und anderen Formen der Abscheidung auf leitfähigen Dünnfilm-Polymeren beschreiben, könnte beginnen, die Grenzen von Metamaterialien zu testen, die bei höheren Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums arbeiten.