Un team di ingegneri della Tufts University ha sviluppato una serie di metamateriali stampati in 3D con proprietà ottiche o a microonde uniche che vanno oltre ciò che è possibile utilizzare con materiali ottici o elettronici convenzionali. I metodi di fabbricazione sviluppati dai ricercatori dimostrano il potenziale, sia presente che futuro, della stampa 3D per espandere la gamma di disegni geometrici e materiali compositi che portano a dispositivi con nuove proprietà ottiche. In un caso, i ricercatori hanno tratto ispirazione dall'occhio composto di una falena per creare un dispositivo emisferico in grado di assorbire segnali elettromagnetici da qualsiasi direzione a lunghezze d'onda selezionate. La ricerca è stata pubblicata oggi sulla rivista Microsistemi e nanoingegneria , pubblicato da Springer Nature.

I metamateriali estendono le capacità dei materiali convenzionali nei dispositivi utilizzando caratteristiche geometriche disposte in schemi ripetuti su scale inferiori alle lunghezze d'onda dell'energia rilevata o influenzata. I nuovi sviluppi nella tecnologia di stampa 3D stanno rendendo possibile creare molte più forme e modelli di metamateriali, e su scale sempre più piccole. Nello studio, i ricercatori del Nano Lab di Tufts descrivono un approccio di fabbricazione ibrido utilizzando la stampa 3D, rivestimento e incisione dei metalli per creare metamateriali con geometrie complesse e nuove funzionalità per lunghezze d'onda nella gamma delle microonde.

Per esempio, hanno creato una serie di minuscole strutture a forma di fungo, ciascuno con un piccolo risuonatore di metallo modellato in cima a uno stelo. Questa particolare disposizione permette di assorbire microonde di frequenze specifiche, a seconda della geometria scelta dei "funghi" e della loro spaziatura. L'uso di tali metamateriali potrebbe essere prezioso in applicazioni quali sensori nella diagnosi medica e come antenne nelle telecomunicazioni o rilevatori nelle applicazioni di imaging.

Altri dispositivi sviluppati dagli autori includono riflettori parabolici che assorbono e trasmettono selettivamente determinate frequenze. Tali concetti potrebbero semplificare i dispositivi ottici combinando le funzioni di riflessione e filtraggio in un'unica unità. "La capacità di consolidare le funzioni utilizzando i metamateriali potrebbe essere incredibilmente utile, " ha detto Sameer Sonkusale, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la School of Engineering della Tufts University, che dirige il Nano Lab di Tufts ed è l'autore corrispondente dello studio. "È possibile utilizzare questi materiali per ridurre le dimensioni degli spettrometri e di altri dispositivi di misurazione ottica in modo che possano essere progettati per lo studio sul campo portatile".

I prodotti della combinazione di modelli ottici/elettronici con la fabbricazione 3D del substrato sottostante sono indicati dagli autori come metamateriali incorporati con ottica geometrica, o MEGO. Altre forme, dimensioni, e gli orientamenti della stampa 3D modellata possono essere concepiti per creare MEGO che assorbono, migliorare, riflettono o piegano le onde in modi che sarebbero difficili da ottenere con i metodi di fabbricazione convenzionali.

Ci sono una serie di tecnologie ora disponibili per la stampa 3D, e lo studio attuale utilizza la stereolitografia, che focalizza la luce per polimerizzare le resine fotopolimerizzabili nelle forme desiderate. Altre tecnologie di stampa 3D, come la polimerizzazione a due fotoni, può fornire una risoluzione di stampa fino a 200 nanometri, che consente la fabbricazione di metamateriali ancora più fini in grado di rilevare e manipolare segnali elettromagnetici di lunghezze d'onda ancora più piccole, potenzialmente inclusa la luce visibile.

"Il pieno potenziale della stampa 3D per i MEGO non è stato ancora realizzato, " disse Aydin Sadeqi, studente laureato nel laboratorio di Sankusale presso la Tufts University School of Engineering e autore principale dello studio. "C'è molto di più che possiamo fare con la tecnologia attuale, e un vasto potenziale man mano che la stampa 3D evolve inevitabilmente."