Les ingénieurs de l'Université Tufts ont développé de nouvelles méthodes pour fabriquer plus efficacement matières premières. qui se comportent de manière inhabituelle lorsqu'ils interagissent avec l'énergie des micro-ondes, avec des implications potentielles pour les télécommunications, le GPS, les radars, les appareils mobiles et les appareils médicaux. Connus sous le nom de métamatériaux, ils sont parfois qualifiés de « matériaux impossibles » car ils pourraient, en théorie, plier l'énergie autour des objets pour les rendre invisibles, concentrer la transmission de l'énergie dans des faisceaux focalisés ou avoir des capacités de type caméléon pour reconfigurer leur absorption. ou transmission de différentes gammes de fréquences.
L'innovation construit les métamatériaux à l'aide d'une impression à jet d'encre à faible coût, rendant la méthode largement accessible et évolutive tout en offrant des avantages tels que la capacité d'être appliqué sur de grandes surfaces conformables ou d'interfacer avec un environnement biologique. C'est également la première démonstration que les polymères organiques peuvent être utilisés pour « ajuster » électriquement les propriétés des métamatériaux.
Les métamatériaux et les méta-surfaces électromagnétiques - leurs homologues bidimensionnels - sont des structures composites qui interagissent avec les ondes électromagnétiques de manière particulière. Les matériaux sont composés de minuscules structures, plus petites que les longueurs d'onde de l'énergie qu'elles influencent, soigneusement disposées en motifs répétitifs. Les structures ordonnées affichent des capacités d'interaction d'ondes uniques qui permettent la conception de miroirs, de lentilles et de filtres non conventionnels capables de bloquer, d'améliorer, de réfléchir, de transmettre ou de courber les ondes au-delà des possibilités offertes par les matériaux conventionnels.
Les ingénieurs de Tufts ont fabriqué leurs métamatériaux en utilisant des polymères conducteurs comme substrat, puis en imprimant à jet d'encre des motifs spécifiques d'électrodes pour créer des résonateurs micro-ondes. Les résonateurs sont des composants importants utilisés dans les dispositifs de communication qui peuvent aider à filtrer les fréquences d'énergie sélectionnées qui sont soit absorbées, soit transmises. Les dispositifs imprimés peuvent être réglés électriquement pour ajuster la gamme de fréquences que les modulateurs peuvent filtrer.
Les dispositifs de métamatériaux fonctionnant dans le spectre des micro-ondes pourraient avoir de nombreuses applications dans les télécommunications, les GPS, les radars et les appareils mobiles, où les métamatériaux peuvent augmenter considérablement la sensibilité du signal et la puissance de transmission. Les métamatériaux produits dans l'étude pourraient également être appliqués aux communications des dispositifs médicaux car la nature biocompatible du polymère organique à couche mince pourrait permettre l'incorporation de capteurs couplés à des enzymes, tandis que sa flexibilité inhérente pourrait permettre aux dispositifs d'être façonnés en surfaces conformables appropriées pour une utilisation sur ou dans le corps.
"Nous avons démontré la capacité d'ajuster électriquement les propriétés des méta-surfaces et des méta-dispositifs fonctionnant dans la région des micro-ondes du spectre électromagnétique", a déclaré Fiorenzo Omenetto, professeur d'ingénierie Frank C. Doble à la Tufts University School of Engineering, directeur de la Tufts Silklab où les matériaux ont été créés, et auteur correspondant de l'étude. « Notre travail représente une étape prometteuse par rapport aux technologies de méta-dispositifs actuelles, qui dépendent largement de matériaux et de procédés de fabrication complexes et coûteux. »
La stratégie de réglage développée par l'équipe de recherche repose entièrement sur des matériaux à couche mince qui peuvent être traités et déposés grâce à des techniques évolutives en masse, telles que l'impression et le revêtement, sur une variété de substrats. La capacité d'ajuster les propriétés électriques des polymères de substrat a permis aux auteurs de faire fonctionner les dispositifs dans une gamme beaucoup plus large d'énergies micro-ondes et jusqu'à des fréquences plus élevées (5 GHz) que ce qui était supposé être possible avec des matériaux non métalliques conventionnels (<0.1 GHz).
Le développement de métamatériaux pour la lumière visible, qui a une longueur d'onde à l'échelle nanométrique, en est encore à ses débuts en raison des défis techniques liés à la fabrication de minuscules réseaux de sous-structures à cette échelle, mais les métamatériaux pour l'énergie micro-ondes, qui ont des longueurs d'onde à l'échelle centimétrique, se prêtent mieux à la résolution des méthodes de fabrication courantes. Les auteurs suggèrent que le fabrication La méthode qu'ils décrivent en utilisant l'impression à jet d'encre et d'autres formes de dépôt sur des polymères conducteurs à couche mince pourrait commencer à tester les limites des métamatériaux fonctionnant à des fréquences plus élevées du spectre électromagnétique.