MEGO – принципиально новые 3D-печатные метаматериалы

Разработаны новые 3D-печатные метаматериалы с уникальными микроволновыми или оптическими свойствами, которых не достичь при использовании традиционных материалов.

Разработаны новые 3D-печатные метаматериалы с уникальными микроволновыми или оптическими свойствами, которых не достичь при использовании традиционных материалов.

Команда инженеров Университета Тафтса разработала серию трехмерных печатных метаматериалов с уникальными микроволновыми или оптическими свойствами, которые выходят за рамки того, что возможно при использовании обычных оптических или электронных материалов.

Методы изготовления, разработанные исследователями, демонстрируют потенциал 3D-печати, как в настоящем, так и будущем, для расширения ассортимента геометрических конструкций и материалов, которые приводят к созданию устройств с новыми оптическими свойствами. В одном случае исследователи черпали вдохновение из сложного глаза моли для создания полусферического устройства, способного поглощать электромагнитные сигналы в любом направлении на выбранных длинах волн. Исследование было опубликовано в журнале Microsystems & Nanoengineering, опубликованном Springer Nature.

Метаматериалы расширяют возможности традиционных материалов в устройствах, используя геометрические элементы, расположенные в повторяющихся узорах, в масштабах, меньших, чем длины волн обнаруживаемой или воздействующей энергии. Новые разработки в технологии 3D-печати позволяют создавать гораздо больше форм и узоров метаматериалов, причем в еще меньших масштабах.

В этой работе исследователи из Nano Lab в Тафтсе описывают гибридный подход к изготовлению с использованием 3D-печати, металлического покрытия и травления для создания метаматериалов со сложной геометрией и новыми функциями для длин волн в микроволновом диапазоне.

Например, они создали массив крошечных грибовидных структур, каждая из которых держала небольшой узорчатый металлический резонатор на вершине стебля. Это конкретное расположение позволяет поглощать микроволны определенных частот в зависимости от выбранной геометрии «грибов» и их расстояния. Использование таких метаматериалов может быть полезным в таких приложениях, как датчики в медицинской диагностике и в качестве антенн в телекоммуникациях или детекторов в приложениях визуализации.

 

 

Мы проектируем модель в программном обеспечении 3D CAD. Затем мы печатаем модель на 3D-принтере. В нашем первом подходе (первый ряд на рисунке) мы покрываем верхние поверхности грибов MEGO проводящей пастой (метод штамповки). В нашем втором подходе (второй ряд на рисунке) мы напыляем металл на все устройство 3D-печати, а затем погружаем устройство в травитель, чтобы вытравить существующий металл на подставке и подложке.

From: Three dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics (MEGO) https://www.nature.com/articles/s41378-019-0053-6/figures/1

 

Другие устройства, разработанные авторами, включают параболические отражатели, которые избирательно поглощают и передают определенные частоты. Такие концепции могут упростить оптические устройства, объединяя функции отражения и фильтрации в одном устройстве.

Способность объединять функции с использованием метаматериалов может быть невероятно полезной», - сказал Самир Сонкусейл, профессор электротехники и вычислительной техники в Технической школе Университета Тафтса, который возглавляет Нано-лабораторию в Тафтсе и является автором исследования. «Возможно, мы могли бы использовать эти материалы, чтобы уменьшить размеры спектрометров и других оптических измерительных приборов, чтобы они могли быть разработаны для портативных полевых исследований».

Авторы называют продукты сочетания оптического / электронного конструирования с 3D-изготовлением нижележащего субстрата как метаматериалы, встроенные в геометрическую оптику, или MEGO (Англ. metamaterials embedded with geometric optics). Другие формы, размеры и ориентации узорной 3D-печати могут быть задуманы для создания MEGO, которые поглощают, усиливают, отражают или изгибают волны способами, которых было бы трудно достичь с помощью традиционных методов изготовления.

В настоящее время существует ряд технологий для 3D-печати, в настоящем исследовании используется стереолитография, которая фокусирует свет для полимеризации фотоотверждаемых смол в желаемые формы. Другие технологии 3D-печати, такие как двухфотонная полимеризация, могут обеспечить разрешение печати до 200 нанометров, что позволяет изготавливать еще более тонкие метаматериалы, которые могут обнаруживать и манипулировать электромагнитными сигналами даже с меньшей длиной волны, потенциально включая видимый свет.

«Полный потенциал 3D-печати для MEGO еще не реализован», - сказал Айдын Садеки, аспирант лаборатории Санкузале в Технической школе Университета Тафтса и ведущий автор исследования. «С нынешней технологией мы можем сделать гораздо больше, и огромный потенциал по мере неизбежного развития 3D-печати».

Источник: Aydin Sadeqi, Hojatollah Rezaei Nejad, Rachel E. Owyeung, Sameer Sonkusale. Three dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics (MEGO). Microsystems & Nanoengineering, 2019; 5 (1) DOI: 10.1038/s41378-019-0053-6