喷墨打印构建“不可能的”超材料

科技日报 2021-06-23 14:30:08

超材料是一类具有特殊性质的人造材料,这些材料在自然界中不存在,有时又被称为“不可能的材料”。据21日发表在《自然·电子学》上的论文介绍,美国塔夫茨大学工程师利用低成本的喷墨打印技术,用有机聚合物构建了一种超材料,可应用于大型整合面或与生物环境有关的接口,并首次展示了该超材料可用电调节其性能。

电磁超材料及其二维形式——超表面,是以特殊方式与电磁波相互作用的复合结构。这些材料由微小结构组成,这些结构比它们所影响的能量的波长还要小,重复排列,显示出独特的波相互作用能力,用这种材料设计出的非传统反射镜、透镜和滤光器,能对波进行阻挡、增强、反射、透射或弯曲,超越了传统材料的性能。

本研究中的超材料由薄膜有机聚合物构建,还可以用于医疗设备通信,因为其具有生物相容性,在功能上成为一种酶偶联传感器,而其固有的灵活性可以使设备形成适合在人体上或体内使用的整合面。

研究人员用导电聚合物作为衬底,再用喷墨打印特定的电极图案,使其产生微波谐振,便成为一种超材料。谐振器是通信设备中的重要组件,可以帮助过滤吸收或传输的能量频率。打印设备可通过电调谐来调整调制器过滤的频率范围。

工作在微波频谱中的超材料器件在电信、GPS、雷达和移动设备中有广泛的应用潜力,可以显著提高它们的信号灵敏度和发射功率。

塔夫茨大学工程学院弗兰克·C·多布尔工程教授、该研究通讯作者菲奥伦佐·奥梅内托说:“我们展示了在电磁频谱的微波区域运行时,对超表面和超设备的特性进行电调节的能力。”

目前的元设备技术在很大程度上依赖于复杂而昂贵的材料和制造工艺,而新技术则廉价、可扩展。研究小组开发的调谐策略完全依赖于薄膜材料,这些材料可以大规模印刷或打印在各种衬底上,进行处理和沉积。通过调整衬底聚合物的电学特性,能在更高频率(5GHz)范围内操作器件。

目前,纳米级波长的可见光超材料的开发仍处于早期阶段,而厘米级波长的微波能量超材料的制造则相对容易。研究人员认为,他们所使用的喷墨打印和其他沉积制造方法,可以测试在更高频率下工作的超材料。

(实习记者张佳欣)

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