Een team van ingenieurs van Tufts University heeft een reeks 3D-geprinte metamaterialen ontwikkeld met unieke microgolf- of optische eigenschappen die verder gaan dan wat mogelijk is met conventionele optische of elektronische materialen. De door de onderzoekers ontwikkelde fabricagemethoden tonen het potentieel, zowel heden als toekomst, van 3D-printen om het scala aan geometrische ontwerpen en materiaalcomposieten uit te breiden die leiden tot apparaten met nieuwe optische eigenschappen. In een geval, de onderzoekers lieten zich inspireren door het samengestelde oog van een mot om een ​​halfbolvormig apparaat te maken dat elektromagnetische signalen uit elke richting op geselecteerde golflengten kan absorberen. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Microsystemen en nano-engineering , uitgegeven door Springer Nature.

Metamaterialen breiden de mogelijkheden van conventionele materialen in apparaten uit door gebruik te maken van geometrische kenmerken die zijn gerangschikt in herhalende patronen op schalen die kleiner zijn dan de golflengten van de energie die wordt gedetecteerd of beïnvloed. Nieuwe ontwikkelingen in de 3D-printtechnologie maken het mogelijk om veel meer vormen en patronen van metamaterialen te creëren, en op steeds kleinere schaal. In de studie, onderzoekers van het Nano Lab in Tufts beschrijven een hybride fabricagebenadering met behulp van 3D-printen, metaalcoaten en etsen om metamaterialen te creëren met complexe geometrieën en nieuwe functionaliteiten voor golflengten in het microgolfbereik.

Bijvoorbeeld, ze creëerden een reeks kleine paddestoelvormige structuren, elk met een kleine metalen resonator met een patroon aan de bovenkant van een steel. Door deze specifieke opstelling kunnen microgolven met specifieke frequenties worden geabsorbeerd, afhankelijk van de gekozen geometrie van de "paddenstoelen" en hun onderlinge afstand. Het gebruik van dergelijke metamaterialen zou waardevol kunnen zijn in toepassingen zoals sensoren in medische diagnose en als antennes in telecommunicatie of detectoren in beeldvormingstoepassingen.

Andere apparaten die door de auteurs zijn ontwikkeld, zijn onder meer parabolische reflectoren die selectief bepaalde frequenties absorberen en uitzenden. Dergelijke concepten kunnen optische apparaten vereenvoudigen door de functies van reflectie en filtering in één eenheid te combineren. "De mogelijkheid om functies te consolideren met behulp van metamaterialen kan ongelooflijk nuttig zijn, " zei Sameer Sonkusale, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Tufts University's School of Engineering, hoofd van het Nano Lab in Tufts en de corresponderende auteur van de studie. "Het is mogelijk dat we deze materialen kunnen gebruiken om de afmetingen van spectrometers en andere optische meetapparatuur te verkleinen, zodat ze kunnen worden ontworpen voor draagbare veldstudies."

De producten van het combineren van optische/elektronische patronen met 3D-fabricage van het onderliggende substraat worden door de auteurs aangeduid als metamaterialen ingebed met geometrische optica, of MEGO's. andere vormen, maten, en oriëntaties van 3D-printen met patronen kunnen worden bedacht om MEGO's te creëren die absorberen, uitbreiden, reflecteren of buigen golven op manieren die moeilijk te bereiken zijn met conventionele fabricagemethoden.

Er zijn nu een aantal technologieën beschikbaar voor 3D-printen, en de huidige studie maakt gebruik van stereolithografie, die licht focust om foto-uithardbare harsen in de gewenste vormen te polymeriseren. Andere 3D-printtechnologieën, zoals twee foton polymerisatie, kan een afdrukresolutie bieden tot 200 nanometer, die de fabricage mogelijk maakt van nog fijnere metamaterialen die elektromagnetische signalen van nog kleinere golflengten kunnen detecteren en manipuleren, mogelijk inclusief zichtbaar licht.

"Het volledige potentieel van 3D-printen voor MEGO's is nog niet gerealiseerd, " zei Aydin Sadeqi, afgestudeerde student in het laboratorium van Sankusale aan de Tufts University School of Engineering en hoofdauteur van de studie. "Er is veel meer dat we kunnen doen met de huidige technologie, en een enorm potentieel aangezien 3D-printen onvermijdelijk evolueert."