Gli ingegneri della Tufts University hanno sviluppato nuovi metodi per fabbricare in modo più efficiente Materiale che si comportano in modi insoliti quando interagiscono con l’energia a microonde, con potenziali implicazioni per telecomunicazioni, GPS, radar, dispositivi mobili e dispositivi medici. Conosciuti come metamateriali, vengono talvolta definiti “materiali impossibili” perché potrebbero, in teoria, piegare l’energia attorno agli oggetti per farli apparire invisibili, concentrare la trasmissione dell’energia in raggi focalizzati o avere abilità camaleontiche per riconfigurare il loro assorbimento. o trasmissione di diverse gamme di frequenza.
L'innovazione costruisce i metamateriali utilizzando la stampa a getto d'inchiostro a basso costo, rendendo il metodo ampiamente accessibile e scalabile, fornendo anche vantaggi come la possibilità di essere applicato a grandi superfici conformabili o di interfacciarsi con un ambiente biologico. È anche la prima dimostrazione che i polimeri organici possono essere utilizzati per "sintonizzare" elettricamente le proprietà dei metamateriali.
I metamateriali elettromagnetici e le metasuperfici, le loro controparti bidimensionali, sono strutture composite che interagiscono con le onde elettromagnetiche in modi peculiari. I materiali sono composti da minuscole strutture, più piccole delle lunghezze d'onda dell'energia che influenzano, accuratamente disposte secondo schemi ripetuti. Le strutture ordinate mostrano capacità uniche di interazione delle onde che consentono la progettazione di specchi, lenti e filtri non convenzionali in grado di bloccare, migliorare, riflettere, trasmettere o piegare le onde oltre le possibilità offerte dai materiali convenzionali.
Gli ingegneri di Tufts hanno fabbricato i loro metamateriali utilizzando polimeri conduttori come substrato, quindi stampando a getto d'inchiostro modelli specifici di elettrodi per creare risonatori a microonde. I risonatori sono componenti importanti utilizzati nei dispositivi di comunicazione che possono aiutare a filtrare determinate frequenze di energia che vengono assorbite o trasmesse. I dispositivi stampati possono essere sintonizzati elettricamente per regolare la gamma di frequenze che i modulatori possono filtrare.
I dispositivi metamateriali che operano nello spettro delle microonde potrebbero avere applicazioni diffuse per telecomunicazioni, GPS, radar e dispositivi mobili, dove i metamateriali possono aumentare significativamente la sensibilità del segnale e la potenza di trasmissione. I metamateriali prodotti nello studio potrebbero essere applicati anche alle comunicazioni dei dispositivi medici perché la natura biocompatibile del polimero organico a film sottile potrebbe consentire l'incorporazione di sensori accoppiati ad enzimi, mentre la sua flessibilità intrinseca potrebbe consentire di modellare i dispositivi in superfici conformabili appropriate per l'uso sopra o nel corpo.
"Abbiamo dimostrato la capacità di sintonizzare elettricamente le proprietà di meta-superfici e meta-dispositivi che operano nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico", ha affermato Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor of Engineering presso la Tufts University School of Engineering, direttore del Tufts Silklab dove sono stati creati i materiali e corrispondente autore dello studio. "Il nostro lavoro rappresenta un passo promettente rispetto alle attuali tecnologie dei meta-dispositivi, che dipendono in gran parte da materiali e processi di fabbricazione complessi e costosi".
La strategia di messa a punto sviluppata dal team di ricerca si basa interamente su materiali a film sottile che possono essere elaborati e depositati attraverso tecniche scalabili di massa, come la stampa e il rivestimento, su una varietà di substrati. La capacità di regolare le proprietà elettriche dei polimeri del substrato ha permesso agli autori di far funzionare i dispositivi entro una gamma molto più ampia di energie a microonde e fino a frequenze più elevate (5 GHz) rispetto a quanto si supponeva fosse possibile con materiali non metallici convenzionali (<0.1 GHz).
Lo sviluppo di metamateriali per la luce visibile, che ha una lunghezza d'onda su scala nanometrica, è ancora nelle sue fasi iniziali a causa delle sfide tecniche di realizzare piccoli array di sottostrutture su quella scala, ma metamateriali per l'energia a microonde, che ha lunghezze d'onda su scala centimetrica, sono più suscettibili alla risoluzione di metodi di fabbricazione comuni. Gli autori suggeriscono che il costruzione Il metodo che descrivono utilizzando la stampa a getto d'inchiostro e altre forme di deposizione su polimeri conduttori a film sottile potrebbe iniziare a testare i limiti dei metamateriali che operano a frequenze più elevate dello spettro elettromagnetico.