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噴墨打印構建“不可能的”超材料
發布時間:2021-06-25     作者:   來源:科技日報   分享到:

  超材料是一類具有特殊性質的人造材料,這些材料在自然界中不存在,有時又被稱為“不可能的材料”。據21日發表在《自然·電子學》上的論文介紹,美國塔夫茨大學工程師利用低成本的噴墨打印技術,用有機聚合物構建了一種超材料,可應用于大型整合面或與生物環境有關的接口,并首次展示了該超材料可用電調節其性能。

  電磁超材料及其二維形式——超表面,是以特殊方式與電磁波相互作用的復合結構。這些材料由微小結構組成,這些結構比它們所影響的能量的波長還要小,重復排列,顯示出獨特的波相互作用能力,用這種材料設計出的非傳統反射鏡、透鏡和濾光器,能對波進行阻擋、增強、反射、透射或彎曲,超越了傳統材料的性能。

  本研究中的超材料由薄膜有機聚合物構建,還可以用于醫療設備通信,因為其具有生物相容性,在功能上成為一種酶偶聯傳感器,而其固有的靈活性可以使設備形成適合在人體上或體內使用的整合面。

  研究人員用導電聚合物作為襯底,再用噴墨打印特定的電極圖案,使其產生微波諧振,便成為一種超材料。諧振器是通信設備中的重要組件,可以幫助過濾吸收或傳輸的能量頻率。打印設備可通過電調諧來調整調制器過濾的頻率范圍。

  工作在微波頻譜中的超材料器件在電信、GPS、雷達和移動設備中有廣泛的應用潛力,可以顯著提高它們的信號靈敏度和發射功率。

  塔夫茨大學工程學院弗蘭克·C·多布爾工程教授、該研究通訊作者菲奧倫佐·奧梅內托說:“我們展示了在電磁頻譜的微波區域運行時,對超表面和超設備的特性進行電調節的能力?!?/p>

  目前的元設備技術在很大程度上依賴于復雜而昂貴的材料和制造工藝,而新技術則廉價、可擴展。研究小組開發的調諧策略完全依賴于薄膜材料,這些材料可以大規模印刷或打印在各種襯底上,進行處理和沉積。通過調整襯底聚合物的電學特性,能在更高頻率(5GHz)范圍內操作器件。

  目前,納米級波長的可見光超材料的開發仍處于早期階段,而厘米級波長的微波能量超材料的制造則相對容易。研究人員認為,他們所使用的噴墨打印和其他沉積制造方法,可以測試在更高頻率下工作的超材料。


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