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admin6个月前265浏览量

导读

近来,美国塔夫茨大学的工程师团队开宣布一系列3D打印的超资料,这些超资料具有共同的微波或许光学特性。

布景

超资料(metamaterial),一般是指经过人工规划结构完成,具有天然资料无法具有的超凡物理特性的复合资料。举例来说,超资料能够控制光波、声波、电磁波等,使它们改动一般的性质,这样的作用是一般资料所无法完成的。超资料的共同性质来历于共同的结构和尺度。它一般具有以重复图画摆放的几许特征,这些微结构的尺度小于可被检测或影响的能量波长。

超资料的近距离相片(图片来历:Timothy Sleasman)

典型的超资料包含左手资料、光子晶体、超磁性资料、金属水等,它们经常表现出“超凡”的物理特性,例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。

负折射率图解(图片来历:维基百科)

现在,超资料已经成为一项十分抢手且运用规模极广的前沿技能。超资料的运用领域包含光纤、医疗设备、航空航天、传感器、根底设施监控、智能太阳能办理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技能、废热运用、太赫兹、微电子、吸波资料、全息技能等。

由超资料制成的“超薄皮肤隐形大氅”(图片来历:伯克利实验室)

由超资料制成的无需半导体的微电子设备(图片来历:加州大学圣地亚哥分校运用电磁学小组)

由超资料制成的可运用废热的红外线发射器(图片来历:参考资料【2】)

具有十字形开口的超资料可改动太赫兹光束的视点。(图片来历:加州大学洛杉矶分校 )

由超资料组成的超透镜,将使未来摄像头和眼镜将更轻浮。(图片来历:哥伦比亚大学)

3D打印技能,是快速成型技能的一种。它以数字模型文件为根底,运用粉末状金属或塑料等可粘合资料,经过逐层打印的办法来结构物体。

具有3D打印功用的蜘蛛机器人(图片来历:西门子)

3D打印的物体(图片来历:Mark Stone / 华盛顿大学)

但是,3D打印技能的新进展,使得在更小的尺度上发明更多的超资料形状和图画变得或许。

立异

近来,美国塔夫茨大学(Tufts University)的工程师团队开宣布一系列3D打印的超资料。这些超资料具有共同的微波或许光学特性,这些特性逾越了传统的光学或电子资料所能完成的。

制作流程示意图(图片来历:参考资料【3】)

无论是现在仍是未来,研讨人员们开宣布的制作办法都标明,3D打印技能有望拓宽几许规划与复合资料的规模,带来具有新颖光学特性的设备。在一个事例中,研讨人员们从飞蛾复眼中罗致创意,发明出一种半球状设备,能以选定波长从任何方向上吸收电磁信号。

(图片来历:Hojat Nejad)

复眼MEGO吸收器(图片来历:参考资料【3】)

这项研讨于4月8日宣布在由 Springer Nature 出书的《微体系和纳米工程(Microsystems & Nanoengineering)》期刊上。

技能

在这项研讨中,塔夫茨大学纳米实验室的研讨人员们描绘了一种选用3D打印、金属涂覆与蚀刻的混合制作计划,发明出波长处于微波规模、具有杂乱几许结构和新颖功用的超资料。

例如,他们发明出微型蘑菇状结构阵列,每一个结构在茎的顶部都具有一个小型图画化的金属谐振器。这种特别的摆放使得处于特定频率的微波被吸收,这取决于所选“蘑菇”的几许形状和它们的距离。这种超资料的运用关于医疗确诊传感器、通讯天线、成像探测器等运用都有着重要的价值。

圆柱蘑菇状的MEGO(图片来历:参考资料【3】)

这篇论文作者们开宣布的其他设备包含抛物面反射器,它能够挑选性地吸收和传输特定的频率。这样的概念经过将反射和过滤功用结组成一体来简化光学设备。

物面MEGO反射器的制作流程(图片来历:参考资料【3】)

塔夫茨大学工学院电气与计算机工程系教授、纳米实验室领头人、这篇论文的通讯作者 Sameer Sonkusale 表明:“选用超资料兼并功用的才能十分有用。咱们能够选用这些资料减小光谱仪和其他光学丈量设备的尺度,使得它们能被规划用于便携式的现场研讨。”

底层衬底的“3D制作工艺”结合“光学或电子的图画化加工”所构成的产品,被论文作者们称为“嵌入几许光学的超资料(MEGO)”。3D打印技能发明出的其他形状、尺度和方向的图画可用于MEGO的构思,经过难以用传统制作办法完成的途径,发明吸收、增强、反射或许曲折各种波。

现在,一系列技能都可用于3D打印。现在的研讨运用了立体光刻技能,它聚集光线,将光固化的树脂聚组成希望的形状。其他的3D打印技能,例如双光子聚合,可提供低至200纳米的打印分辨率,制作出更精密的超资料,这些超资料可检测和控制波长更短的电磁波信号,乃至有望包含可见光。

价值

塔夫茨大学工程学院 Sankusale 实验室的研讨生、这篇论文的领导作者 Aydin Sadeqi 表明:“3D打印MEGO的潜力尚未被彻底发掘出来。咱们关于现有的技能还能够做许多工作,3D打印技能必将释放出巨大的潜力。”

关键字

超资料、3D打印、复眼

参考资料

【1】https://now.tufts.edu/news-releases/researchers-3d-print-metamaterials-novel-optical-properties

【2】X. Liu, W.J. Padilla, “Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,” Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.000430

【3】Sadeqi, A., Nejad, H.R., Owyeung, R.E., Sonkusale, S., "Three-dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics," Microsystems & Nanoengineering, (April 8, 2019). DOI: 10.1038/s41378-019-0053-6