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3D打印的超材料:具有新颖的光学特性!

2019-04-12 16:51:05 6

超材料(metamaterial),通常是指通过人工设计结构实现,具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说,超材料可以操控光波、声波、电磁波等,使它们改变通常的性质,这样的效果是普通材料所无法实现的。超材料的奇特性质来源于独特的结构和尺寸。它通常具有以重复图案排列的几何特征,这些微结构的尺寸小于可被检测或影响的能量波长。

超材料的近距离照片(图片来源:Timothy Sleasman)

典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等,它们时常表现出“超常”的物理特性,例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。

负折射率图解(图片来源:维基百科)

如今,超材料已经成为一项非常热门且应用范围极广的前沿技术。超材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。

由超材料制成的“超薄皮肤隐形斗篷”(图片来源:伯克利实验室)

由超材料制成的无需半导体的微电子设备(图片来源:加州大学圣地亚哥分校应用电磁学小组)

由超材料制成的可利用废热的红外线发射器(图片来源:参考资料【2】)

具有十字形开口的超材料可改变太赫兹光束的角度。(图片来源:加州大学洛杉矶分校 )

由超材料组成的超透镜,将使未来摄像头和眼镜将更轻薄。(图片来源:哥伦比亚大学)

3D打印技术,是快速成型技术的一种。它以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。

具有3D打印功能的蜘蛛机器人(图片来源:西门子)

3D打印的物体(图片来源:Mark Stone / 华盛顿大学)

然而,3D打印技术的新进展,使得在更小的尺度上创造更多的超材料形状和图案变得可能。

创新

近日,美国塔夫茨大学(Tufts University)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。

制造流程示意图(图片来源:参考资料【3】)

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。

(图片来源:Hojat Nejad)

复眼MEGO吸收器(图片来源: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。

技术

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。

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。

圆柱蘑菇状的MEGO(图片来源:参考资料【3】)

这篇论文作者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。

物面MEGO反射器的制造流程(图片来源: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。

价值

塔夫茨大学工程学院 Sankusale 实验室的研究生、这篇论文的领导作者 Aydin Sadeqi 表示:“3D打印MEGO的潜力尚未被完全发掘出来。我们对于现有的技术还可以做很多事情,3D打印技术必将释放出巨大的潜力。”