Các kỹ sư tại Đại học Tufts đã phát triển các phương pháp mới để chế tạo hiệu quả hơn nguyên vật liệu hoạt động theo những cách khác thường khi tương tác với năng lượng vi sóng, có tiềm năng tác động đến viễn thông, GPS, radar, thiết bị di động và thiết bị y tế. Được gọi là siêu vật liệu, đôi khi chúng được coi là “vật liệu không thể” vì về mặt lý thuyết, chúng có thể uốn cong năng lượng xung quanh các vật thể để khiến chúng trở nên vô hình, tập trung truyền năng lượng vào các chùm tập trung hoặc có khả năng giống như tắc kè hoa để điều chỉnh lại sự hấp thụ của chúng. hoặc truyền các dải tần số khác nhau.
Sự đổi mới tạo ra siêu vật liệu bằng cách sử dụng in phun chi phí thấp, làm cho phương pháp này có thể tiếp cận và mở rộng rộng rãi, đồng thời mang lại những lợi ích như khả năng áp dụng cho các bề mặt lớn phù hợp hoặc giao diện với môi trường sinh học. Đây cũng là minh chứng đầu tiên cho thấy các polyme hữu cơ có thể được sử dụng để “điều chỉnh” các đặc tính của siêu vật liệu.
Siêu vật liệu điện từ và siêu bề mặt — đối tác hai chiều của chúng — là những cấu trúc tổng hợp tương tác với sóng điện từ theo những cách đặc biệt. Các vật liệu bao gồm các cấu trúc cực nhỏ - nhỏ hơn bước sóng của năng lượng mà chúng ảnh hưởng - được sắp xếp cẩn thận theo các mô hình lặp lại. Các cấu trúc được sắp xếp hiển thị các khả năng tương tác sóng độc đáo cho phép thiết kế các gương, thấu kính và bộ lọc độc đáo có thể chặn, tăng cường, phản xạ, truyền hoặc bẻ cong sóng ngoài khả năng được cung cấp bởi các vật liệu thông thường.
Các kỹ sư của Tufts đã chế tạo siêu vật liệu của họ bằng cách sử dụng polyme dẫn điện làm chất nền, sau đó in phun các mẫu điện cực cụ thể để tạo ra các bộ cộng hưởng vi sóng. Bộ cộng hưởng là thành phần quan trọng được sử dụng trong các thiết bị liên lạc có thể giúp lọc các tần số năng lượng được hấp thụ hoặc truyền đi. Các thiết bị in có thể được điều chỉnh bằng điện để điều chỉnh dải tần số mà bộ điều chế có thể lọc.
Các thiết bị siêu vật liệu hoạt động trong phổ vi ba có thể được ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị viễn thông, GPS, radar và di động, nơi siêu vật liệu có thể tăng cường đáng kể độ nhạy tín hiệu và công suất truyền của chúng. Các siêu vật liệu được sản xuất trong nghiên cứu cũng có thể được áp dụng cho thông tin liên lạc của thiết bị y tế vì bản chất tương thích sinh học của polyme hữu cơ màng mỏng có thể cho phép kết hợp các cảm biến kết hợp với enzym, trong khi tính linh hoạt vốn có của nó có thể cho phép các thiết bị được tạo thành các bề mặt phù hợp thích hợp để sử dụng trên hoặc trong cơ thể.
Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble, Giáo sư Kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật Đại học Tufts, cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh khả năng điều chỉnh điện các thuộc tính của siêu bề mặt và siêu thiết bị hoạt động trong vùng vi sóng của phổ điện từ. Tufts Silklab nơi tạo ra các tài liệu và tác giả tương ứng của nghiên cứu. “Công việc của chúng tôi thể hiện một bước tiến đầy hứa hẹn so với các công nghệ siêu thiết bị hiện tại, vốn phụ thuộc phần lớn vào các vật liệu và quy trình chế tạo phức tạp và tốn kém.”
Chiến lược điều chỉnh do nhóm nghiên cứu phát triển dựa hoàn toàn vào vật liệu màng mỏng có thể được xử lý và lắng đọng thông qua các kỹ thuật có thể mở rộng hàng loạt, chẳng hạn như in và phủ, trên nhiều loại chất nền khác nhau. Khả năng điều chỉnh các đặc tính điện của polyme nền cho phép các tác giả vận hành các thiết bị trong phạm vi năng lượng vi sóng rộng hơn nhiều và lên đến tần số cao hơn (5 GHz) so với những gì được cho là có thể với các vật liệu phi kim loại thông thường (<0.1 GHz).
Sự phát triển của siêu vật liệu cho ánh sáng nhìn thấy, có bước sóng quy mô nanomet, vẫn còn ở giai đoạn đầu do những thách thức kỹ thuật trong việc tạo ra các dãy cấu trúc con nhỏ ở quy mô đó, nhưng siêu vật liệu cho năng lượng vi sóng, có bước sóng cỡ centimet, phù hợp hơn với việc phân giải các phương pháp chế tạo thông thường. Các tác giả gợi ý rằng sự bịa đặt phương pháp mà họ mô tả bằng cách sử dụng in phun và các dạng lắng đọng khác trên polyme dẫn màng mỏng có thể bắt đầu kiểm tra giới hạn của siêu vật liệu hoạt động ở tần số cao hơn của phổ điện từ.