Тонкопленочный полимер настраивает свойства массива небольших микроволновых резонаторов, напечатанного на струйной печати. Составное устройство может быть настроено для захвата или передачи микроволновой энергии на разных длинах волн. Предоставлено: Фио Оменетто, Университет Тафтса.
Инженеры разрабатывают недорогой, масштабируемый метод создания метаматериалов, которые управляют микроволновой энергией так, как обычные материалы не могут.
Инженеры из Университета Тафтса разработали новые методы более эффективного производства материалов, которые ведут себя необычным образом при взаимодействии с микроволновой энергией, что может иметь последствия для телекоммуникаций, GPS, радаров, мобильных и медицинских устройств. Известные как метаматериалы, их иногда называют «невозможными материалами», потому что они теоретически могут изгибать энергию вокруг объектов, чтобы они казались невидимыми, концентрируют передачу энергии в сфокусированных лучах или обладают хамелеоноподобными способностями изменять конфигурацию их поглощения. или передача разных частотных диапазонов.
Нововведение, описанное сегодня в Природа Электроника, 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 Тафтса 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 спектре, могут найти широкое применение в телекоммуникациях, GPS, радарах и мобильных устройствах, где метаматериалы могут значительно повысить чувствительность их сигналов и мощность передачи. Метаматериалы, полученные в ходе исследования, также могут применяться для связи с медицинскими устройствами, поскольку биосовместимая природа тонкого фильм органический полимер может позволить встраивать датчики, связанные с ферментами, в то время как присущая ему гибкость может позволить создавать устройства в виде подходящих поверхностей, подходящих для использования на теле или внутри него.
«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 основана на тонкопленочных материалах, которые можно обрабатывать и наносить с помощью масштабируемых методов, таких как печать и нанесение покрытий, на различные подложки. Возможность настройки электрических свойств полимеров подложки позволила авторам эксплуатировать устройства в гораздо более широком диапазоне микроволновых энергий и вплоть до более высоких частот (5 ГГц), чем предполагалось для обычных немета-материалов (<0.1 ГГц).
Разработка метаматериалов для видимого света с длиной волны в нанометровом масштабе все еще находится на ранней стадии из-за технических проблем, связанных с созданием крошечных массивов подструктур такого масштаба, но метаматериалы для микроволновой энергии с длиной волны сантиметрового масштаба более податливы. к разрешению общих методов изготовления. Авторы предполагают, что метод изготовления, 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.
«Это исследование, возможно, только начало», - сказал Джорджио Боначкини, бывший научный сотрудник лаборатории Оменетто, ныне работающей в Стэнфордском университете, и первый автор исследования. «Надеюсь, наше испытательное устройство будет стимулировать дальнейшие исследования того, как органические электронные материалы и устройства могут быть успешно использованы в реконфигурируемых метаматериалах и метаповерхностях во всем электромагнитном спектре».
Ссылка: «Реконфигурируемые микроволновые метаустройства на основе органических электрохимических транзисторов» Джорджио Э. Бонаккини и Фьоренцо Г. Оменетто, 21 июня 2021 г., Природа Электроника.
DOI: 10.1038/s41928-021-00590-0
