Un'illustrazione di come le celle unitarie metamateriali stampate in 3D potrebbero essere combinate come i blocchi Lego per creare strutture che piegano o focalizzano le radiazioni a microonde in modo più potente di qualsiasi materiale trovato in natura. Credito:Abel Yangbo Xie, Duke University
I ricercatori della Duke University hanno stampato in 3D potenti metamateriali elettromagnetici, utilizzando un materiale elettricamente conduttivo compatibile con una stampante 3D standard.
La dimostrazione potrebbe rivoluzionare la progettazione rapida e la prototipazione di applicazioni a radiofrequenza come Bluetooth, Wifi, dispositivi di rilevamento e comunicazione wireless.
I metamateriali sono materiali sintetici composti da molti individui, dispositivi ingegnerizzati chiamati cellule che insieme producono proprietà non presenti in natura. Quando un'onda elettromagnetica si muove attraverso il metamateriale, ogni cellula ingegnerizzata manipola l'onda in un modo specifico per dettare come si comporta l'onda nel suo insieme.
I metamateriali possono essere adattati per avere proprietà innaturali come piegare la luce all'indietro, focalizzando le onde elettromagnetiche su più aree e assorbendo perfettamente specifiche lunghezze d'onda della luce. Ma gli sforzi precedenti sono stati limitati ai circuiti stampati 2-D, limitando la loro efficacia e capacità e rendendo difficile la loro fabbricazione.
In un nuovo articolo apparso online sulla rivista Lettere di fisica applicata , Gli scienziati e i chimici dei materiali Duke hanno mostrato un modo per portare i metamateriali elettromagnetici nella terza dimensione utilizzando comuni stampanti 3D.
Sono necessari circa 20 minuti per stampare in 3D una cella unitaria di metamateriale utilizzando il filamento Electrifi e una stampante 3D relativamente economica. Combinando una serie di queste cellule, ciascuno su misura per interagire con un'onda elettromagnetica in un certo modo, i ricercatori possono creare una struttura in grado di manipolare potentemente le radiazioni a microonde. Credito:Shengrong Ye, Duke University
"Ci sono un sacco di complicate strutture metamateriali 3D che le persone hanno immaginato, progettati e realizzati in piccoli numeri per dimostrare che potevano funzionare, " ha detto Steve Cummer, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "La sfida nel passaggio a questi progetti più complicati è stato il processo di produzione. Con la possibilità di farlo su una comune stampante 3D, chiunque può costruire e testare un potenziale prototipo in poche ore con un costo relativamente basso."
La chiave per trasformare in realtà i metamateriali elettromagnetici stampati in 3D è stata trovare il giusto materiale conduttivo per passare attraverso una stampante 3D commerciale. Tali stampanti di solito usano plastica, che sono in genere terribili nel condurre l'elettricità.
Mentre ci sono alcune soluzioni disponibili in commercio che mescolano i metalli con la plastica, nessuno è abbastanza conduttivo da creare metamateriali elettromagnetici vitali. Sebbene le stampanti 3D in metallo esistano, costano fino a $ 1 milione e occupano un'intera stanza.
Ecco dove Benjamin Wiley, Duke professore associato di chimica, è venuto in.
"Il nostro gruppo è davvero bravo a realizzare materiali conduttivi, " disse Wiley, che ha esplorato questi materiali per quasi un decennio. "Abbiamo visto questo divario e ci siamo resi conto che c'era un enorme spazio inesplorato da colmare e abbiamo pensato di avere l'esperienza e le conoscenze per provarlo".
Esperimenti e simulazioni mostrano che i cubi stampati in 3D interagiscono con le onde elettromagnetiche 14 volte più fortemente delle loro controparti in 2D. Credito:Duke University
Wiley e Shengrong Ye, un ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, ha creato un materiale stampabile in 3D che è 100 volte più conduttivo di qualsiasi cosa attualmente sul mercato. Il materiale è attualmente venduto con il marchio Electrifi da Multi3D LLC, una startup fondata da Wiley e Ye. Sebbene non sia ancora conduttivo come il rame normale, Cummer pensava che potesse essere abbastanza conduttivo da creare un metamateriale elettromagnetico stampato in 3D.
Nella carta, Cummer e il dottorando Abel Yangbo Xie mostrano che non solo Electrifi è abbastanza conduttivo, interagisce con le onde radio quasi quanto i tradizionali metamateriali realizzati con rame puro. Questa piccola differenza è facilmente compensata dalla geometria 3D dei metamateriali stampati:i risultati mostrano che i cubi di metamateriali stampati in 3D interagiscono con le onde elettromagnetiche 14 volte meglio delle loro controparti 2D.
Stampando numerosi cubi, ciascuno su misura per interagire specificamente con un'onda elettromagnetica in un certo modo, e combinandoli come mattoncini Lego, i ricercatori possono iniziare a costruire nuovi dispositivi. Affinché i dispositivi funzionino, però, le onde elettromagnetiche devono avere all'incirca le stesse dimensioni dei singoli blocchi. Mentre questo esclude lo spettro visibile, infrarossi e raggi X, lascia aperto un ampio spazio progettuale in onde radio e microonde.
"Stiamo iniziando a diventare più aggressivi con i nostri progetti di metamateriali per vedere quanta complessità possiamo costruire e quanto ciò potrebbe migliorare le prestazioni, " ha detto Cummer. "Molti progetti precedenti erano complicati da realizzare in campioni di grandi dimensioni. Potresti farlo per un articolo scientifico una volta solo per dimostrare che ha funzionato, ma non vorresti mai farlo di nuovo. Questo lo rende molto più facile. Adesso è tutto sul tavolo".
"Pensiamo che questo potrebbe cambiare il modo in cui l'industria delle radiofrequenze prototipa nuovi dispositivi nello stesso modo in cui le stampanti 3D hanno cambiato i progetti a base di plastica, " disse Wiley. "Quando puoi consegnare i tuoi disegni ad altre persone o copiare esattamente ciò che qualcun altro ha fatto in poche ore, che accelera davvero il processo di progettazione."
