Инженеры Университета Тафтса разработали новые методы более эффективного производства. материалы которые ведут себя необычным образом при взаимодействии с микроволновой энергией, что может иметь последствия для телекоммуникаций, GPS, радаров, мобильных устройств и медицинских устройств. Известные как метаматериалы, их иногда называют «невозможными материалами», потому что теоретически они могут изгибать энергию вокруг объектов, делая их невидимыми, концентрировать передачу энергии в сфокусированные лучи или обладать хамелеоноподобными способностями перенастраивать их поглощение. или передачу разных частотных диапазонов.
Нововведение конструирует метаматериалы с использованием недорогой струйной печати, делая метод широко доступным и масштабируемым, а также обеспечивая такие преимущества, как возможность нанесения на большие приспосабливаемые поверхности или взаимодействие с биологической средой. Это также первая демонстрация того, что органические полимеры можно использовать для электрической «настройки» свойств метаматериалов.
Электромагнитные метаматериалы и метаповерхности - их двумерные аналоги - представляют собой составные структуры, которые особым образом взаимодействуют с электромагнитными волнами. Материалы состоят из крошечных структур - меньше длины волны энергии, на которую они влияют, - тщательно выстроенных в повторяющиеся узоры. Упорядоченные структуры демонстрируют уникальные возможности взаимодействия с волнами, которые позволяют создавать нетрадиционные зеркала, линзы и фильтры, способные блокировать, усиливать, отражать, передавать или изгибать волны сверх возможностей, предлагаемых обычными материалами.
Инженеры Тафтс изготовили свои метаматериалы, используя проводящие полимеры в качестве подложки, а затем с помощью струйной печати распечатали определенные узоры электродов для создания микроволновых резонаторов. Резонаторы - важные компоненты, используемые в устройствах связи, которые могут помочь отфильтровать выбранные частоты энергии, которые либо поглощаются, либо передаются. Печатные устройства могут быть электрически настроены для регулирования диапазона частот, которые могут фильтровать модуляторы.
Устройства из метаматериалов, работающие в микроволновом диапазоне, могут найти широкое применение в телекоммуникациях, GPS, радарах и мобильных устройствах, где метаматериалы могут значительно повысить их чувствительность к сигналу и мощность передачи. Метаматериалы, полученные в ходе исследования, также могут быть применены для связи с медицинскими устройствами, поскольку биосовместимая природа тонкопленочного органического полимера может позволить встраивать сенсоры, связанные с ферментами, в то время как присущая ему гибкость может позволить преобразовывать устройства в соответствующие поверхности, подходящие для использования. на теле или в теле.
«Мы продемонстрировали способность электрически настраивать свойства мета-поверхностей и мета-устройств, работающих в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра», - сказал Фьоренцо Оменетто, профессор инженерии Фрэнка К. Добла инженерной школы Университета Тафтса, директор Tufts Silklab, где были созданы материалы, и автор исследования. «Наша работа представляет собой многообещающий шаг по сравнению с существующими технологиями мета-устройств, которые во многом зависят от сложных и дорогостоящих материалов и производственных процессов».
Стратегия настройки, разработанная исследовательской группой, полностью полагается на тонкопленочные материалы, которые можно обрабатывать и наносить с помощью масштабируемых методов, таких как печать и нанесение покрытий, на различные подложки. Возможность настраивать электрические свойства полимеров подложки позволила авторам эксплуатировать устройства в гораздо более широком диапазоне микроволновых энергий и до более высоких частот (5 ГГц), чем предполагалось для обычных неметаллических материалов (<0.1 ГГц).
Разработка метаматериалов для видимого света, который имеет длину волны нанометрового масштаба, все еще находится на начальной стадии из-за технических проблем, связанных с созданием крошечных массивов субструктур в этом масштабе, но метаматериалы для микроволновой энергии, которые имеют длины волн сантиметрового масштаба, более поддаются разрешению с помощью обычных методов изготовления. Авторы предполагают, что изготовление Метод, который они описывают, с использованием струйной печати и других форм нанесения на тонкопленочные проводящие полимеры, может начать проверку пределов возможностей метаматериалов, работающих на более высоких частотах электромагнитного спектра.