3D打印“嵌入几何光学”的超材料(MEGO)

近日,美国塔夫茨大学的工程师团队开发出一系列3D打印的超材料,这些超材料具有独特的微波或者光学特性。这些特性超越了传统的光学或电子材料所能实现的。1

block 增强对波的控制

无论是现在还是未来,研究人员们开发出的制造方法都表明,3D打印技术有望拓展几何设计与复合材料的范围,带来具有新颖光学特性的设备。在一个案例中,研究人员们从飞蛾复眼中汲取灵感,创造出一种半球状设备,能以选定波长从任何方向上吸收电磁信号。

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图片:复眼MEGO吸收器(来源:参考资料【3】)

这项研究于4月8日发表在由 Springer Nature 出版的《微系统和纳米工程(Microsystems & Nanoengineering)》期刊上。于医疗诊断传感器、通信天线、成像探测器等应用都有着重要的价值。

在这项研究中,塔夫茨大学纳米实验室的研究人员们描述了一种采用3D打印、金属涂覆与蚀刻的混合制造方案,创造出波长处于微波范围、具有复杂几何结构和新颖功能的超材料。

MEGO_3图片:制造流程示意图(来源:参考资料【3】)

例如,他们创造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案化的金属谐振器。这种特殊的排列使得处于特定频率的微波被吸收,这取决于所选“蘑菇”的几何形状和它们的间距。这种超材料的使用对于医疗诊断传感器、通信天线、成像探测器等应用都有着重要的价值

MEGO_4图片:圆柱蘑菇状的MEGO(图片来源:参考资料【3】)

研究人员们开发出的其他设备包括抛物面反射器,它可以选择性地吸收和传输特定的频率。这样的概念通过将反射和过滤功能结合成一体来简化光学设备。

MEGO_5图片:物面MEGO反射器的制造流程(来源: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 表示:“采用超材料合并功能的能力非常有用。我们可以采用这些材料减小光谱仪和其他光学测量设备的尺寸,使得它们能被设计用于便携式的现场研究。”

底层衬底的“3D制造工艺”结合“光学或电子的图案化加工”所形成的产品,被论文作者们称为“嵌入几何光学的超材料(MEGO)”。3D打印技术创造出的其他形状、尺寸和方向的图案可用于MEGO的构思,通过难以用传统制造方法实现的途径,创造吸收、增强、反射或者弯曲各种波。

目前,一系列技术都可用于3D打印。目前的研究利用了立体光刻技术,它聚焦光线,将光固化的树脂聚合成期望的形状。其他的3D打印技术,例如双光子聚合,可提供低至200纳米的打印分辨率,制造出更精细的超材料,这些超材料可检测和操控波长更短的电磁波信号,甚至有望包括可见光。1

block 3D科学谷Review

超材料是指材料的设计表现出不同寻常的特性,是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。迄今发展出的“超材料”包括:”左手材料”、”光子晶体”、”超磁性材料”等。

国内在超材料方面也涌现出积极的研究,根据3D科学谷的市场研究,活跃的科研单位有东南大学,中国人民解放军空军工程大学,西安交通大学,北京交通大学等。

东南大学通过3D打印一种自相似的空间折叠结构的分形声学超材料,用于宽带声聚焦透镜;

中国人民解放军空军工程大学开发了基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法,利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特殊形状,使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装;

西安交通大学使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行目标超材料实体进行3D打印,3D科学谷了解到其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料,固体微粒作为人造微结构,最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料;

北京交通大学通过3D打印技术制备太赫兹波导预制棒,按照波导立体结构逐片打印以形成太赫兹波导预制棒进而拉制成太赫兹波,简化了制作工艺,降低了带有锐角微结构复杂横截面且纵向可变的太赫兹波导预制棒的制作成本,为后续拉制出具有优越传输性能的太赫兹波导,提供了很好的基础。

1 文章来源:环球创新智慧

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

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