Onderzoekers van Duke University hebben 3D-geprinte krachtige elektromagnetische metamaterialen, met behulp van een elektrisch geleidend materiaal dat compatibel is met een standaard 3D-printer.

De demonstratie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het snelle ontwerp en prototype van radiofrequentietoepassingen zoals Bluetooth, Wifi, draadloze detectie- en communicatieapparatuur.

Metamaterialen zijn synthetische materialen die zijn samengesteld uit vele individuele, gemanipuleerde apparaten die cellen worden genoemd en die samen eigenschappen produceren die niet in de natuur voorkomen. Terwijl een elektromagnetische golf door het metamateriaal beweegt, elke gemanipuleerde cel manipuleert de golf op een specifieke manier om te dicteren hoe de golf zich als geheel gedraagt.

Metamaterialen kunnen worden aangepast om onnatuurlijke eigenschappen te hebben, zoals licht naar achteren buigen, het focussen van elektromagnetische golven op meerdere gebieden en het perfect absorberen van specifieke golflengten van licht. Maar eerdere inspanningen waren beperkt tot 2D-printplaten, het beperken van hun effectiviteit en capaciteiten en het maken van hun fabricage moeilijk.

In een nieuw artikel dat online in het tijdschrift verschijnt Technische Natuurkunde Brieven , Materiaalwetenschappers en scheikundigen van Duke hebben een manier laten zien om elektromagnetische metamaterialen naar de derde dimensie te brengen met behulp van gewone 3D-printers.

"Er zijn veel gecompliceerde 3D-metamateriaalstructuren die mensen zich hebben voorgesteld, ontworpen en gemaakt in kleine aantallen om te bewijzen dat ze konden werken, " zei Steve Cummer, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "De uitdaging bij de overgang naar deze meer gecompliceerde ontwerpen was het fabricageproces. Met de mogelijkheid om dit op een gewone 3D-printer te doen, iedereen kan in een paar uur tijd een potentieel prototype bouwen en testen met relatief weinig kosten."

De sleutel tot het realiseren van 3D-geprinte elektromagnetische metamaterialen was het vinden van het juiste geleidende materiaal om door een commerciële 3D-printer te gaan. Dergelijke printers gebruiken meestal plastic, die doorgaans slecht zijn in het geleiden van elektriciteit.

Hoewel er een paar in de handel verkrijgbare oplossingen zijn die metalen met de kunststoffen vermengen, geen enkele is geleidend genoeg om levensvatbare elektromagnetische metamaterialen te creëren. Hoewel metalen 3D-printers bestaan, ze kosten maar liefst $ 1 miljoen en nemen een hele kamer in beslag.

Dat is waar Benjamin Wiley, Duke universitair hoofddocent scheikunde, kwam binnen.

"Onze groep is heel goed in het maken van geleidende materialen, " zei Willy, die deze materialen al bijna een decennium onderzoekt. "We zagen dit gat en realiseerden ons dat er een enorme onontgonnen ruimte was die gevuld moest worden en dachten dat we de ervaring en kennis hadden om het een kans te geven."

Wiley en Shengrong Ye, een postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, creëerde een 3D-afdrukbaar materiaal dat 100 keer meer geleidend is dan alles wat momenteel op de markt is. Het materiaal wordt momenteel verkocht onder de merknaam Electrifi door Multi3D LLC, een startup opgericht door Wiley en Ye. Hoewel het nog lang niet zo geleidend is als gewoon koper, Cummer dacht dat het net geleidend genoeg zou kunnen zijn om een ​​3D-geprint elektromagnetisch metamateriaal te maken.

In de krant, Cummer en promovendus Abel Yangbo Xie laten zien dat niet alleen Electrifi geleidend genoeg is, het interageert bijna net zo sterk met radiogolven als traditionele metamaterialen gemaakt van puur koper. Dat kleine verschil wordt gemakkelijk goedgemaakt door de 3D-geometrie van de geprinte metamaterialen - de resultaten laten zien dat de 3D-geprinte metamateriaalkubussen 14 keer beter interageren met elektromagnetische golven dan hun 2D-tegenhangers.

Door talloze kubussen te printen, elk afgestemd op een specifieke interactie met een elektromagnetische golf op een bepaalde manier, en ze te combineren als Lego-bouwstenen, onderzoekers kunnen beginnen met het bouwen van nieuwe apparaten. Om de apparaten te laten werken, echter, de elektromagnetische golven moeten ongeveer even groot zijn als de afzonderlijke blokken. Hoewel dit het zichtbare spectrum uitsluit, infrarood en röntgenstralen, het laat een grote ontwerpruimte open in radiogolven en microgolven.

"We beginnen nu agressiever te worden met onze metamateriaalontwerpen om te zien hoeveel complexiteit we kunnen bouwen en hoeveel dat de prestaties zou kunnen verbeteren, " zei Cummer. "Veel eerdere ontwerpen waren ingewikkeld om in grote monsters te maken. Je zou het een keer voor een wetenschappelijk artikel kunnen doen om te laten zien dat het werkte, maar je zou het nooit meer willen doen. Dit maakt het een stuk makkelijker. Alles ligt nu op tafel."

"We denken dat dit de manier waarop de radiofrequentie-industrie prototypen van nieuwe apparaten kan veranderen, op dezelfde manier als 3D-printers op plastic gebaseerde ontwerpen veranderden. "zei Wiley. "Als je je ontwerpen aan andere mensen kunt overdragen of precies kunt kopiëren wat iemand anders heeft gedaan in een kwestie van uren, dat versnelt het ontwerpproces echt."