薄膜聚合物调整喷墨打印的小型微波谐振器阵列的特性。 可以调谐复合装置以捕获或传输不同波长的微波能量。 图片来源：塔夫茨大学 Fio Omenetto
工程师们开发出廉价、可扩展的方法来制造超材料，以传统材料无法做到的方式操纵微波能量。
塔夫茨大学的工程师开发了新方法，可以更有效地制造与微波能量相互作用时表现异常的材料，这对电信、GPS、雷达、移动设备和医疗设备具有潜在影响。 它们被称为超材料，有时也被称为“不可能的材料”，因为理论上它们可以弯曲物体周围的能量，使它们看起来不可见，将能量传输集中到聚焦光束中，或者具有变色龙般的能力来重新配置它们的吸收或不同频率范围的传输。
今天描述的创新 大自然电子， 使用低成本喷墨印刷构建超材料，使该方法可广泛使用和扩展，同时还提供诸如能够应用于大型适形表面或与生物环境界面的能力等好处。 这也是有机聚合物可用于电“调整”超材料特性的首次证明。
电磁超材料和超表面——它们的二维对应物——是以特殊方式与电磁波相互作用的复合结构。 这些材料由微小的结构组成——小于它们所影响的能量的波长——以重复的模式精心排列。 有序结构显示出独特的波相互作用能力，使非常规镜子、透镜和过滤器的设计能够阻挡、增强、反射、传输或弯曲波，超出了传统材料提供的可能性。
塔夫茨大学的工程师通过使用导电聚合物作为基材来制造他们的超材料，然后喷墨打印特定的电极图案来制造微波谐振器。 谐振器是通信设备中使用的重要组件，可以帮助过滤吸收或传输的能量的选择频率。 可以对印刷设备进行电调谐，以调整调制器可以过滤的频率范围。
在微波频谱中运行的超材料设备可以广泛应用于电信、GPS、雷达和移动设备，超材料可以显着提高它们的信号灵敏度和传输功率。 研究中产生的超材料也可以应用于医疗设备通信，因为薄的生物相容性 电影 有机聚合物可以结合酶耦合传感器，而其固有的灵活性可以使设备被塑造成适合在身体上或身体内使用的贴合表面。
“我们展示了对在电磁波谱的微波区域运行的超表面和超设备的特性进行电调谐的能力，”塔夫茨大学工程学院工程教授、Frank C. Doble 教授 Fiorenzo Omenetto 说。创建材料的 Tufts Silklab，以及该研究的通讯作者。 “与目前的元设备技术相比，我们的工作代表了一个有希望的步骤，这在很大程度上取决于复杂且昂贵的材料和制造工艺。”
研究团队开发的调整策略完全依赖于薄膜材料，这些材料可以通过大规模可扩展技术（例如印刷和涂层）在各种基板上进行处理和沉积。 调整基底聚合物电性能的能力使作者能够在比传统非金属材料（<5 GHz）。
由于在该尺度上制造微小的亚结构阵列的技术挑战，具有纳米级波长的可见光超材料的开发仍处于早期阶段，但具有厘米级波长的微波能量超材料更适合到常见制造方法的分辨率。 作者建议，他们描述的使用喷墨印刷和其他形式沉积在薄膜导电聚合物上的制造方法可以开始测试超材料在较高电磁频谱频率下工作的极限。
“这项研究可能只是一个开始，”Omenetto 实验室的前博士后研究员，现供职于斯坦福大学，该研究的第一作者 Giorgio Bonacchini 说。 “希望我们的概念验证设备将鼓励进一步探索有机电子材料和设备如何成功用于整个电磁频谱的可重构超材料和超表面。”
参考资料：“基于有机电化学晶体管的可重构微波元器件”，作者：Giorgio E. Bonacchini 和 Fiorenzo G. Omenetto，21 年 2021 月 XNUMX 日， 自然电子.
DOI: 10.1038/s41928-021-00590-0
