Ett team av ingenjörer vid Tufts University har utvecklat en serie 3D-tryckta metamaterial med unika mikrovågsugn eller optiska egenskaper som går utöver vad som är möjligt med konventionella optiska eller elektroniska material. Tillverkningsmetoderna utvecklade av forskarna visar potentialen, både nu och framtid, av 3D-utskrift för att utöka sortimentet av geometriska mönster och materialkompositer som leder till enheter med nya optiska egenskaper. I ett fall, forskarna drog inspiration från en malars sammansatta öga för att skapa en halvklotformad enhet som kan absorbera elektromagnetiska signaler från valfri riktning vid valda våglängder. Forskningen publicerades idag i tidskriften Mikrosystem och nanoteknik , publicerad av Springer Nature.

Metamaterial förlänger möjligheterna för konventionella material i enheter genom att använda geometriska funktioner som är arrangerade i upprepade mönster i skalor som är mindre än våglängderna för energi som detekteras eller påverkas. Ny utveckling inom 3D-tryckteknik gör det möjligt att skapa många fler former och mönster av metamaterial, och i allt mindre skala. I studien, forskare vid Nano Lab på Tufts beskriver en hybridfabrikation med hjälp av 3D-utskrift, metallbeläggning och etsning för att skapa metamaterial med komplexa geometrier och nya funktioner för våglängder i mikrovågsområdet.

Till exempel, de skapade en rad små svampformade strukturer, var och en håller en liten mönstrad metallresonator högst upp på en stjälk. Detta speciella arrangemang tillåter mikrovågor med specifika frekvenser att absorberas, beroende på den valda geometrin för "svamparna" och deras avstånd. Användning av sådana metamaterial kan vara värdefull i applikationer som sensorer för medicinsk diagnos och som antenner i telekommunikation eller detektorer i bildbehandling.

Andra enheter som utvecklats av författarna inkluderar paraboliska reflektorer som selektivt absorberar och överför vissa frekvenser. Sådana koncept kan förenkla optiska enheter genom att kombinera reflektions- och filtreringsfunktioner till en enhet. "Möjligheten att konsolidera funktioner med hjälp av metamaterial kan vara oerhört användbar, "sade Sameer Sonkusale, professor i el- och datorteknik vid Tufts University's School of Engineering som leder Nano Lab på Tufts och är motsvarande författare till studien. "Det är möjligt att vi kan använda dessa material för att minska storleken på spektrometrar och andra optiska mätanordningar så att de kan utformas för bärbara fältstudier."

Produkterna för att kombinera optisk/elektronisk mönster med 3D-tillverkning av det underliggande substratet kallas av författarna som metamaterial inbäddade i geometrisk optik, eller MEGO. Andra former, storlekar, och orienteringar för mönstrad 3D-utskrift kan tänkas för att skapa MEGO som absorberar, förbättra, reflektera eller böja vågor på sätt som skulle vara svåra att uppnå med konventionella tillverkningsmetoder.

Det finns ett antal tekniker som nu finns tillgängliga för 3D-utskrift, och den aktuella studien använder stereolitografi, som fokuserar ljus för att polymerisera fotohärdbara hartser till önskade former. Andra 3D-utskriftstekniker, såsom två fotonpolymerisation, kan ge utskriftsupplösning upp till 200 nanometer, vilket möjliggör tillverkning av ännu finare metamaterial som kan detektera och manipulera elektromagnetiska signaler med ännu mindre våglängder, kan inkludera synligt ljus.

"Den fulla potentialen för 3D-utskrift för MEGO har ännu inte förverkligats, "sa Aydin Sadeqi, doktorand i Sankusales laboratorium vid Tufts University School of Engineering och huvudförfattare till studien. "Det finns mycket mer vi kan göra med den nuvarande tekniken, och en stor potential när 3D-utskrift oundvikligen utvecklas. "