Ingenieros de la Universidad de Tufts han desarrollado nuevos métodos para fabricar de forma más eficiente materiales que se comportan de manera inusual al interactuar con la energía de microondas, con posibles implicaciones para las telecomunicaciones, GPS, radares, dispositivos móviles y dispositivos médicos. Conocidos como metamateriales, a veces se les llama “materiales imposibles” porque, en teoría, podrían doblar la energía alrededor de los objetos para hacerlos parecer invisibles, concentrar la transmisión de energía en rayos enfocados o tener habilidades camaleónicas para reconfigurar su absorción. o transmisión de diferentes rangos de frecuencia.
La innovación construye los metamateriales utilizando impresión de inyección de tinta de bajo costo, lo que hace que el método sea ampliamente accesible y escalable, al tiempo que brinda beneficios como la capacidad de aplicarse a grandes superficies adaptables o interactuar con un entorno biológico. También es la primera demostración de que los polímeros orgánicos se pueden utilizar para "ajustar" eléctricamente las propiedades de los metamateriales.
Los metamateriales y meta-superficies electromagnéticos, sus contrapartes bidimensionales, son estructuras compuestas que interactúan con ondas electromagnéticas de formas peculiares. Los materiales están compuestos por estructuras diminutas, más pequeñas que las longitudes de onda de la energía en la que influyen, cuidadosamente dispuestas en patrones repetidos. Las estructuras ordenadas muestran capacidades únicas de interacción de ondas que permiten el diseño de espejos, lentes y filtros no convencionales capaces de bloquear, mejorar, reflejar, transmitir o doblar ondas más allá de las posibilidades que ofrecen los materiales convencionales.
Los ingenieros de Tufts fabricaron sus metamateriales utilizando polímeros conductores como sustrato, luego imprimieron con inyección de tinta patrones específicos de electrodos para crear resonadores de microondas. Los resonadores son componentes importantes utilizados en los dispositivos de comunicaciones que pueden ayudar a filtrar determinadas frecuencias de energía que se absorben o transmiten. Los dispositivos impresos se pueden sintonizar eléctricamente para ajustar el rango de frecuencias que los moduladores pueden filtrar.
Los dispositivos metamateriales que operan en el espectro de microondas podrían tener aplicaciones generalizadas en telecomunicaciones, GPS, radares y dispositivos móviles, donde los metamateriales pueden aumentar significativamente la sensibilidad de la señal y la potencia de transmisión. Los metamateriales producidos en el estudio también podrían aplicarse a las comunicaciones de dispositivos médicos porque la naturaleza biocompatible del polímero orgánico de película delgada podría permitir la incorporación de sensores acoplados a enzimas, mientras que su flexibilidad inherente podría permitir que los dispositivos se moldeen en superficies adaptables apropiadas para su uso. sobre o en el cuerpo.
"Demostramos la capacidad de sintonizar eléctricamente las propiedades de meta-superficies y meta-dispositivos que operan en la región de microondas del espectro electromagnético", dijo Fiorenzo Omenetto, profesor de ingeniería Frank C. Doble en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts, director de la Tufts Silklab donde se crearon los materiales y autor correspondiente del estudio. "Nuestro trabajo representa un paso prometedor en comparación con las tecnologías actuales de metadispositivos, que dependen en gran medida de materiales y procesos de fabricación complejos y costosos".
La estrategia de ajuste desarrollada por el equipo de investigación se basa completamente en materiales de película delgada que se pueden procesar y depositar mediante técnicas escalables en masa, como la impresión y el recubrimiento, en una variedad de sustratos. La capacidad de ajustar las propiedades eléctricas de los polímeros del sustrato permitió a los autores operar los dispositivos dentro de un rango mucho más amplio de energías de microondas y hasta frecuencias más altas (5 GHz) de lo que se suponía que era posible con materiales no metálicos convencionales (<0.1 GHz).
El desarrollo de metamateriales para la luz visible, que tiene una longitud de onda de escala nanométrica, aún se encuentra en sus primeras etapas debido a los desafíos técnicos de hacer pequeñas matrices de subestructuras a esa escala, pero los metamateriales para la energía de microondas, que tiene longitudes de onda de escala centimétrica, son más susceptibles a la resolución de métodos de fabricación comunes. Los autores sugieren que el fabricación El método que describen usando impresión por chorro de tinta y otras formas de deposición en polímeros conductores de película delgada podría comenzar a probar los límites de los metamateriales que operan a frecuencias más altas del espectro electromagnético.