'n Dun film polimeer stem die eienskappe van 'n inkjet gedrukte reeks klein mikrogolfresonators in. Die saamgestelde toestel kan ingestel word om verskillende golflengtes van mikrogolfenergie vas te vang of oor te dra. Krediet: Fio Omenetto, Tufts Universiteit
Ingenieurs ontwikkel goedkoop, skaalbare metode om metamateriale te maak wat mikrogolfenergie manipuleer op maniere wat konvensionele materiale nie kan nie.
Ingenieurs by Tufts Universiteit het nuwe metodes ontwikkel om materiaal meer doeltreffend te vervaardig wat op ongewone maniere optree wanneer hulle met mikrogolfenergie interaksie het, met potensiële implikasies vir telekommunikasie, GPS, radar, mobiele toestelle en mediese toestelle. Bekend as metamateriale, word daar soms na hulle verwys as "onmoontlike materiale" omdat hulle, in teorie, energie om voorwerpe kan buig om hulle onsigbaar te laat lyk, die oordrag van energie in gefokusde strale konsentreer, of verkleurmannetjieagtige vermoëns het om hul absorpsie te herkonfigureer of oordrag van verskillende frekwensiereekse.
Die innovasie, wat vandag beskryf word in Nature Electronics, bou die metamateriale met behulp van laekoste inkjet-drukwerk, wat die metode wyd toeganklik en skaalbaar maak, terwyl dit ook voordele bied soos die vermoë om toegepas te word op groot pasbare oppervlaktes of koppelvlak met 'n biologiese omgewing. Dit is ook die eerste demonstrasie dat organiese polimere gebruik kan word om die eienskappe van die metamateriale elektries te “tune”.
Elektromagnetiese metamateriale en meta-oppervlaktes - hul tweedimensionele eweknieë - is saamgestelde strukture wat op eienaardige maniere met elektromagnetiese golwe in wisselwerking tree. Die materiale is saamgestel uit klein strukture - kleiner as die golflengtes van die energie wat hulle beïnvloed - versigtig gerangskik in herhalende patrone. Die geordende strukture vertoon unieke golfinteraksievermoëns wat die ontwerp moontlik maak van onkonvensionele spieëls, lense en filters wat golwe óf blokkeer, verbeter, weerkaats, oordra of buig bo die moontlikhede wat konvensionele materiale bied.
Die Tufts-ingenieurs het hul metamateriale vervaardig deur geleidende polimere as 'n substraat te gebruik, en dan spesifieke patrone van elektrodes met inkjetdruk om mikrogolfresonators te skep. Resonators is belangrike komponente wat in kommunikasietoestelle gebruik word wat kan help om sekere frekwensies van energie te filter wat óf geabsorbeer óf oorgedra word. Die gedrukte toestelle kan elektries ingestel word om die reeks frekwensies wat die modulators kan filter, aan te pas.
Metamateriaaltoestelle wat in die mikrogolfspektrum werk, kan wydverspreide toepassings hê op telekommunikasie, GPS, radar en mobiele toestelle, waar metamateriaal hul seinsensitiwiteit en transmissiekrag aansienlik kan verhoog. Die metamateriale wat in die studie geproduseer word, kan ook op mediese toestelkommunikasie toegepas word omdat die bioversoenbare aard van die dun film organiese polimeer kan die inkorporering van ensiemgekoppelde sensors moontlik maak, terwyl die inherente buigsaamheid daarvan kan toelaat dat toestelle in pasvormbare oppervlaktes gevorm word wat geskik is vir gebruik op of in die liggaam.
"Ons het die vermoë gedemonstreer om die eienskappe van meta-oppervlaktes en meta-toestelle wat in die mikrogolfgebied van die elektromagnetiese spektrum werk elektries in te stel," sê Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor in Ingenieurswese by Tufts University School of Engineering, direkteur van die Tufts Silklab waar die materiaal geskep is, en ooreenstemmende skrywer van die studie. "Ons werk verteenwoordig 'n belowende stap in vergelyking met huidige meta-toestel tegnologieë, wat grootliks afhanklik is van komplekse en duur materiale en vervaardigingsprosesse."
Die afstemmingstrategie wat deur die navorsingspan ontwikkel is, berus geheel en al op dunfilm-materiaal wat verwerk en neergelê kan word deur middel van massa-skaalbare tegnieke, soos druk en bedek, op verskillende substrate. Die vermoë om die elektriese eienskappe van die substraatpolimere in te stel, het die outeurs in staat gestel om die toestelle binne 'n baie wyer reeks mikrogolfenergieë en tot hoër frekwensies (5 GHz) te gebruik as wat aanvaar is met konvensionele nie-metamateriale (<0.1 GHz).
Ontwikkeling van metamateriale vir sigbare lig, wat golflengte van nanometerskaal het, is nog in sy vroeë stadium as gevolg van die tegniese uitdagings om klein skikkings van onderstrukture op daardie skaal te maak, maar metamateriale vir mikrogolfenergie, wat golflengtes van sentimeter het, is wel vatbaarder. tot die oplossing van algemene vervaardigingsmetodes. Die outeurs stel voor dat die vervaardigingsmetode wat hulle beskryf deur gebruik te maak van inkstraaldrukwerk en ander vorme van neerslag op geleidende polimere, om die grense van metamateriale wat op hoër frekwensies van die elektromagnetiese spektrum werk, te toets.
"Hierdie navorsing is moontlik net die begin," het Giorgio Bonacchini, voormalige postdoktorale genoot in Omenetto se laboratorium, nou by Stanford Universiteit, en eerste skrywer van die studie, gesê. "Hopelik sal ons bewys-van-konsep-toestel verdere verkennings aanmoedig oor hoe organiese elektroniese materiale en toestelle suksesvol gebruik kan word in herkonfigureerbare metamateriale en meta-oppervlaktes oor die hele elektromagnetiese spektrum."
Verwysing: "Herkonfigureerbare mikrogolf-metadevices gebaseer op organiese elektrochemiese transistors" deur Giorgio E. Bonacchini en Fiorenzo G. Omenetto, 21 Junie 2021, Natuurelektronika.
DOI: 10.1038/s41928-021-00590-0
