Ingenieurs van Tufts University hebben nieuwe methoden ontwikkeld om efficiënter te kunnen fabriceren materieel die zich op ongebruikelijke manieren gedragen bij interactie met microgolfenergie, met mogelijke gevolgen voor telecommunicatie, GPS, radar, mobiele apparaten en medische apparaten. Ze staan bekend als metamaterialen en worden ook wel ‘onmogelijke materialen’ genoemd, omdat ze in theorie energie rond objecten kunnen buigen om ze onzichtbaar te laten lijken, de overdracht van energie in gerichte stralen kunnen concentreren, of kameleonachtige capaciteiten hebben om hun absorptie opnieuw te configureren. of transmissie van verschillende frequentiebereiken.
De innovatie construeert de metamaterialen met behulp van goedkope inkjetprinten, waardoor de methode breed toegankelijk en schaalbaar wordt, terwijl het ook voordelen biedt zoals de mogelijkheid om te worden toegepast op grote vervormbare oppervlakken of een interface met een biologische omgeving. Het is ook de eerste demonstratie dat organische polymeren kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van de metamaterialen elektrisch af te stemmen.
Elektromagnetische metamaterialen en meta-oppervlakken - hun tweedimensionale tegenhangers - zijn samengestelde structuren die op eigenaardige manieren interageren met elektromagnetische golven. De materialen zijn samengesteld uit kleine structuren - kleiner dan de golflengten van de energie die ze beïnvloeden - zorgvuldig gerangschikt in herhalende patronen. De geordende structuren vertonen unieke golfinteractiemogelijkheden die het ontwerp mogelijk maken van onconventionele spiegels, lenzen en filters die golven kunnen blokkeren, versterken, reflecteren, verzenden of buigen die verder gaan dan de mogelijkheden die conventionele materialen bieden.
De ingenieurs van Tufts vervaardigden hun metamaterialen door geleidende polymeren als substraat te gebruiken en vervolgens specifieke elektrodenpatronen te inkjetprinten om microgolfresonatoren te creëren. Resonatoren zijn belangrijke componenten die worden gebruikt in communicatieapparaten die kunnen helpen bij het filteren van geselecteerde energiefrequenties die worden geabsorbeerd of verzonden. De gedrukte apparaten kunnen elektrisch worden afgestemd om het frequentiebereik aan te passen dat de modulatoren kunnen filteren.
Metamateriaalapparaten die in het microgolfspectrum werken, kunnen wijdverbreide toepassingen hebben voor telecommunicatie, GPS, radar en mobiele apparaten, waar metamaterialen hun signaalgevoeligheid en zendvermogen aanzienlijk kunnen vergroten. De metamaterialen die in het onderzoek zijn geproduceerd, kunnen ook worden toegepast op communicatie met medische apparaten, omdat de biocompatibele aard van het dunne-film organische polymeer de opname van enzymgekoppelde sensoren mogelijk zou maken, terwijl de inherente flexibiliteit het mogelijk zou maken om apparaten te vormen tot aanpasbare oppervlakken die geschikt zijn voor gebruik op of in het lichaam.
"We hebben het vermogen aangetoond om de eigenschappen van meta-oppervlakken en meta-apparaten die in het microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum werken elektrisch af te stemmen", zegt Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor of Engineering aan de Tufts University School of Engineering, directeur van de Tufts Silklab waar de materialen zijn gemaakt, en de corresponderende auteur van de studie. "Ons werk is een veelbelovende stap in vergelijking met de huidige meta-apparaattechnologieën, die grotendeels afhankelijk zijn van complexe en dure materialen en fabricageprocessen."
De afstemmingsstrategie die door het onderzoeksteam is ontwikkeld, is volledig gebaseerd op dunnefilmmaterialen die kunnen worden verwerkt en afgezet via massaschaalbare technieken, zoals printen en coaten, op een verscheidenheid aan substraten. Het vermogen om de elektrische eigenschappen van de substraatpolymeren af te stemmen, stelde de auteurs in staat om de apparaten te gebruiken binnen een veel breder bereik van microgolfenergieën en tot hogere frequenties (5 GHz) dan werd aangenomen mogelijk met conventionele niet-metalen materialen (<0.1 GHz).
De ontwikkeling van metamaterialen voor zichtbaar licht, met een golflengte op nanometerschaal, bevindt zich nog in de beginfase vanwege de technische uitdagingen om kleine reeksen substructuren op die schaal te maken, maar metamaterialen voor microgolfenergie, die golflengten op centimeterschaal heeft, zijn meer vatbaar voor de oplossing van gemeenschappelijke fabricagemethoden. De auteurs suggereren dat de verzinsel methode die ze beschrijven met behulp van inkjetprinten en andere vormen van afzetting op dunne-film geleidende polymeren, zou kunnen beginnen met het testen van de limieten van metamaterialen die werken bij hogere frequenties van het elektromagnetische spectrum.