Forskare vid Duke University har 3D-tryckta potenta elektromagnetiska metamaterial, använder ett elektriskt ledande material som är kompatibelt med en standard 3D-skrivare.

Demonstrationen kan revolutionera den snabba designen och prototyperna för radiofrekvensapplikationer som Bluetooth, Wi-Fi, trådlösa avkännings- och kommunikationsenheter.

Metamaterial är syntetmaterial som består av många individuella, konstruerade enheter som kallas celler som tillsammans producerar egenskaper som inte finns i naturen. När en elektromagnetisk våg rör sig genom metamaterialet, varje konstruerad cell manipulerar vågen på ett specifikt sätt för att diktera hur vågen beter sig som en helhet.

Metamaterial kan skräddarsys för att ha onaturliga egenskaper som att böja ljus bakåt, fokusera elektromagnetiska vågor på flera områden och perfekt absorbera specifika våglängder av ljus. Men tidigare ansträngningar har begränsats till 2-D-kretskort, begränsa deras effektivitet och förmågor och försvåra tillverkningen.

I ett nytt papper som visas online i tidningen Tillämpad fysikbokstäver , Duke materialforskare och kemister har visat ett sätt att föra in elektromagnetiska metamaterial i den tredje dimensionen med hjälp av vanliga 3D-skrivare.

"Det finns många komplicerade 3D-metamaterialstrukturer som människor har tänkt sig, utformade och tillverkade i små siffror för att bevisa att de kunde fungera, "sa Steve Cummer, professor i el- och datateknik vid Duke. "Utmaningen att övergå till dessa mer komplicerade mönster har varit tillverkningsprocessen. Med möjligheten att göra detta på en vanlig 3D-skrivare, vem som helst kan bygga och testa en potentiell prototyp på några timmar med relativt låg kostnad. "

Nyckeln till att göra 3D-tryckta elektromagnetiska metamaterial till verklighet var att hitta rätt ledande material för att köra genom en kommersiell 3D-skrivare. Sådana skrivare använder vanligtvis plast, som vanligtvis är fruktansvärda att leda elektricitet.

Även om det finns några kommersiellt tillgängliga lösningar som blandar in metaller med plasten, ingen är tillräckligt ledande för att skapa livskraftiga elektromagnetiska metamaterial. Medan det finns 3D-skrivare i metall, de kostar så mycket som 1 miljon dollar och tar upp ett helt rum.

Det är där Benjamin Wiley, Duke docent i kemi, kom in.

"Vår grupp är riktigt bra på att göra ledande material, "sa Wiley, som har utforskat dessa material i nästan ett decennium. "Vi såg detta gap och insåg att det fanns ett stort outforskat utrymme att fylla och trodde att vi hade erfarenhet och kunskap för att ge det ett skott."

Wiley och Shengrong Ye, en postdoktor i sin grupp, skapat ett 3D-utskrivbart material som är 100 gånger mer ledande än något som för närvarande finns på marknaden. Materialet säljs för närvarande under varumärket Electrifi av Multi3D LLC, en start som grundades av Wiley och Ye. Även om det fortfarande inte är så ledande som vanligt koppar, Cummer trodde att det bara kunde vara tillräckligt ledande för att skapa ett 3D-tryckt elektromagnetiskt metamaterial.

I tidningen, Cummer och doktorand Abel Yangbo Xie visar att inte bara är Electrifi tillräckligt ledande, den interagerar med radiovågor nästan lika starkt som traditionella metamaterial tillverkade av rent koppar. Den lilla skillnaden uppnås enkelt av de tryckta metamaterialens 3D-geometri-resultaten visar att 3D-tryckta metamaterialkuber interagerar med elektromagnetiska vågor 14 gånger bättre än sina 2-D-motsvarigheter.

Genom att skriva ut många kuber, var och en skräddarsydd för att specifikt interagera med en elektromagnetisk våg på ett visst sätt, och kombinerar dem som Lego byggstenar, forskare kan börja bygga nya enheter. För att enheterna ska fungera, dock, de elektromagnetiska vågorna måste vara ungefär lika stora som de enskilda blocken. Även om detta utesluter det synliga spektrumet, infraröd och röntgen, det lämnar öppet ett stort designutrymme i radiovågor och mikrovågor.

"Vi börjar nu bli mer aggressiva med våra metamaterialdesigner för att se hur mycket komplexitet vi kan bygga och hur mycket som kan förbättra prestanda, "sa Cummer." Många tidigare mönster var komplicerade att göra i stora prover. Du kan göra det för en vetenskaplig artikel en gång för att visa att det fungerade, men du skulle aldrig vilja göra det igen. Detta gör det mycket enklare. Allt ligger på bordet nu. "

"Vi tror att detta kan förändra hur radiofrekvensindustrin prototyper nya enheter på samma sätt som 3D-skrivare ändrade plastbaserade mönster, "sa Wiley." När du kan överlämna dina mönster till andra människor eller exakt kopiera vad någon annan har gjort på några timmar, som verkligen påskyndar designprocessen. "