Forschung -

3-D Druck von Metamaterialien mit neuen optischen Eigenschaften

Ein Team von Ingenieuren der Tufts University hat eine Reihe von 3-D gedruckten Materialien mit einzigartigen Mikrowellen- oder optischen Eigenschaften entwickelt, die über das hinausgehen, was mit herkömmlichen optischen oder elektronischen Materialien möglich ist.

Die von den Forschern entwickelten Herstellungsverfahren zeigen das gegenwärtige und zukünftige Potenzial des 3-D Drucks, um die Palette der geometrischen Designs und Materialverbunde zu erweitern, die zu Elementen mit neuen optischen Eigenschaften führen.

In einem Fall ließen sich die Forscher vom Verbundauge einer Motte inspirieren, um ein halbkugelförmiges Element zu entwickeln, das elektromagnetische Signale aus jeder Richtung mit ausgewählten Wellenlängen absorbieren kann. Die Studie wurde in "Microsystems & Nanoengineering" veröffentlicht.

Metamaterialien erweitern die Fähigkeiten herkömmlicher Materialien in Elementen, indem sie geometrische Merkmale nutzen, die in sich wiederholenden Mustern angeordnet sind, die kleiner sind als die Wellenlängen der zu erfassenden oder zu beeinflussenden Energien.

Neue Entwicklungen in der 3-D Drucktechnologie ermöglichen es, mehr Formen und Muster von Metamaterialien in immer kleinerem Maßstab zu erzeugen.

In der Studie beschreiben die Forscher des 'Nano Lab' einen hybriden Herstellungsansatz mit 3-D Druck, Metallbeschichtung und Ätzen, um Metamaterialien mit komplexen Geometrien und neuartigen Funktionen für Wellenlängen im Mikrowellenbereich herzustellen.

Zum Beispiel schufen sie eine Reihe winziger pilzförmiger Strukturen, die jeweils einen kleinen gemusterten Metallresonator an der Spitze eines Stiels aufweisen. Diese besondere Anordnung ermöglicht es, Mikrowellen mit bestimmten Frequenzen zu absorbieren, abhängig von der gewählten Geometrie der "Pilze" und deren Abständen.

Die Verwendung solcher Metamaterialien könnte für Anwendungen wie Sensoren in der medizinischen Diagnostik und als Antennen in der Telekommunikation oder Detektoren in bildgebenden Anwendungen von großem Nutzen sein.

Weitere von den Autoren entwickelte Vorrichtungen sind parabolische Reflektoren, die bestimmte Frequenzen selektiv absorbieren und übertragen. Solche Konzepte könnten optische Systeme vereinfachen, indem sie die Funktionen Reflexion und Filterung in einer Einheit vereinen.

"Die Fähigkeit, Funktionen mit Hilfe von Metamaterialien zu konsolidieren, könnte unglaublich nützlich sein", sagte Professor Sameer Sonkusale von der 'School of Engineering', der das Nano Lab leitet und Korrespondent der Studie ist.

"Es ist möglich, dass wir diese Materialien verwenden könnten, um die Größe von Spektrometern und anderen optischen Messgeräten zu reduzieren, damit sie sich zum Beispiel für tragbare Feldstudien verwenden lassen."

Die Kombinationsprodukte von optischer/elektronischen Strukturierungen mit der 3-D Fertigung des zugrunde liegenden Substrats werden von den Autoren als Metamaterialien bezeichnet, die mit geometrischer Optik oder MEGOs eingebettet sind.

Andere Formen, Größen und Ausrichtungen der gemusterten 3-D Drucks können konzipiert werden, um MEGOs zu schaffen, die Wellen auf eine Weise absorbieren, verstärken, reflektieren oder beugen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer zu erreichen wären.

Für den 3-D Druck stehen inzwischen eine Reihe von Technologien zur Verfügung, wobei die Forscher der aktuellen Studie die Stereolithografie verwendeten, die das Licht fokussiert, um lichthärtende Harze in die gewünschten Formen zu polymerisieren.

Andere 3-D Drucktechnologien, wie die Zwei-Photonen-Polymerisation, können eine Druckauflösung von bis zu 200 nm bieten, was die Herstellung noch feinerer Metamaterialien ermöglicht, mit denen sich die elektromagnetischen Signale noch kleinerer Wellenlängen, einschließlich des sichtbaren Lichts, erkennen und manipulieren lassen.

"Das volle Potenzial des 3-D Drucks für MEGOs ist noch nicht ausgeschöpft", sagte der Doktorand Aydin Sadeqi, Hauptautor der Studie. "Es gibt noch viel mehr, was wir mit der aktuellen Technologie tun können, und zwar mit einem enormen Potenzial, wenn sich der 3-D Druck zwangsläufig weiterentwickelt."

Diese Arbeit wurde durch die U.S. Army und das Office of Naval Research unterstützt.

Schrifttum: Sadeqi, A., Nejad, H.R., Owyeung, R.E., Sonkusale, S., "Three-dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics," Microsystems & Nanoengineering, (April 8, 2019). DOI: 10.1038/s41378-019-0053-6

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