Engenheiros da Tufts University desenvolveram novos métodos para fabricar com mais eficiência materiais que se comportam de maneira incomum ao interagir com energia de micro-ondas, com implicações potenciais para telecomunicações, GPS, radar, dispositivos móveis e dispositivos médicos. Conhecidos como metamateriais, eles são às vezes chamados de “materiais impossíveis” porque poderiam, em teoria, dobrar a energia em torno de objetos para fazê-los parecer invisíveis, concentrar a transmissão de energia em feixes focados ou ter habilidades camaleônicas para reconfigurar sua absorção. ou transmissão de diferentes faixas de frequência.
A inovação constrói os metamateriais usando impressão a jato de tinta de baixo custo, tornando o método amplamente acessível e escalonável, ao mesmo tempo que fornece benefícios como a capacidade de ser aplicado a grandes superfícies conformáveis ou interface com um ambiente biológico. É também a primeira demonstração de que polímeros orgânicos podem ser usados para "sintonizar" eletricamente as propriedades dos metamateriais.
Metamateriais e meta-superfícies eletromagnéticas - suas contrapartes bidimensionais - são estruturas compostas que interagem com as ondas eletromagnéticas de maneiras peculiares. Os materiais são compostos de estruturas minúsculas - menores do que os comprimentos de onda da energia que influenciam - cuidadosamente organizadas em padrões repetidos. As estruturas solicitadas exibem recursos exclusivos de interação de ondas que permitem o design de espelhos, lentes e filtros não convencionais capazes de bloquear, aprimorar, refletir, transmitir ou dobrar ondas além das possibilidades oferecidas pelos materiais convencionais.
Os engenheiros da Tufts fabricaram seus metamateriais usando polímeros condutores como substrato e, em seguida, imprimindo a jato de tinta padrões específicos de eletrodos para criar ressonadores de microondas. Os ressonadores são componentes importantes usados em dispositivos de comunicação que podem ajudar a filtrar as frequências selecionadas de energia que são absorvidas ou transmitidas. Os dispositivos impressos podem ser eletricamente ajustados para ajustar a faixa de frequências que os moduladores podem filtrar.
Dispositivos de metamateriais operando no espectro de microondas podem ter aplicações generalizadas em telecomunicações, GPS, radar e dispositivos móveis, onde metamateriais podem aumentar significativamente sua sensibilidade de sinal e potência de transmissão. Os metamateriais produzidos no estudo também podem ser aplicados a comunicações de dispositivos médicos porque a natureza biocompatível do polímero orgânico de película fina pode permitir a incorporação de sensores acoplados a enzimas, enquanto sua flexibilidade inerente pode permitir que os dispositivos sejam moldados em superfícies adaptáveis apropriadas para uso sobre ou no corpo.
“Demonstramos a capacidade de sintonizar eletricamente as propriedades de metassuperfícies e metodispositivos que operam na região de micro-ondas do espectro eletromagnético”, disse Fiorenzo Omenetto, professor de engenharia Frank C. Doble da Escola de Engenharia da Universidade Tufts, diretor da Tufts Silklab onde os materiais foram criados e autor correspondente do estudo. “Nosso trabalho representa um passo promissor em comparação com as tecnologias de meta-dispositivos atuais, que dependem em grande parte de materiais e processos de fabricação complexos e caros.”
A estratégia de ajuste desenvolvida pela equipe de pesquisa depende inteiramente de materiais de filme fino que podem ser processados e depositados por meio de técnicas escalonáveis em massa, como impressão e revestimento, em uma variedade de substratos. A capacidade de ajustar as propriedades elétricas dos polímeros de substrato permitiu aos autores operar os dispositivos em uma faixa muito mais ampla de energias de microondas e até frequências mais altas (5 GHz) do que se supôs ser possível com materiais convencionais não metálicos (<0.1 GHz).
O desenvolvimento de metamateriais para luz visível, que tem comprimento de onda em escala nanométrica, ainda está em seus estágios iniciais devido aos desafios técnicos de fazer minúsculas matrizes de subestruturas nessa escala, mas metamateriais para energia de microondas, que tem comprimentos de onda em escala centimétrica, são mais receptivos à resolução de métodos de fabricação comuns. Os autores sugerem que o fabrico O método que eles descrevem usando impressão a jato de tinta e outras formas de deposição em polímeros condutores de filme fino poderiam começar a testar os limites de metamateriais operando em frequências mais altas do espectro eletromagnético.