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  • L'approccio genetico aiuta a progettare il metamateriale a banda larga

    (l) Questo è un disegno del modello di assorbimento del metamateriale. (r) Questo è un vero modello di assorbimento del metamateriale. Credito:Bossard, Penn State

    Un materiale appositamente formato in grado di fornire un assorbimento a banda larga personalizzato nell'infrarosso può essere identificato e prodotto utilizzando "algoritmi genetici, "secondo gli ingegneri della Penn State, che affermano che questi metamateriali possono schermare gli oggetti dalla vista tramite sensori a infrarossi, proteggere gli strumenti ed essere fabbricati per coprire una varietà di lunghezze d'onda.

    "Il metamateriale ha un elevato assorbimento su un'ampia larghezza di banda, " ha detto Jeremy A. Bossard, borsista post-dottorato in ingegneria elettrica. "Altri schermi sono stati sviluppati per una larghezza di banda stretta, ma questo è il primo in grado di coprire una larghezza di banda superottava nello spettro infrarosso."

    Avere una larghezza di banda più ampia significa che un materiale può proteggere dalle radiazioni elettromagnetiche su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, rendere il materiale più utile. I ricercatori hanno esaminato l'argento, oro e palladio, ma ha scoperto che il palladio ha fornito una migliore copertura della larghezza di banda. Questo nuovo metamateriale è in realtà costituito da strati su un substrato o una base di silicio. Il primo strato è palladio, seguito da uno strato di poliimmide. Sopra questo strato di plastica c'è uno strato di schermo in palladio. Lo schermo ha elaborato, ritagli complicati - geometria delle lunghezze d'onda inferiori - che servono a bloccare le varie lunghezze d'onda. Uno strato di poliimmide ricopre l'intero assorbitore.

    "Finché il modello correttamente progettato sullo schermo è molto più piccolo della lunghezza d'onda, il materiale può funzionare efficacemente come assorbitore, " disse Lan Lin, studente laureato in ingegneria elettrica. "Può anche assorbire il 90 percento della radiazione infrarossa che arriva fino a un angolo di 55 gradi rispetto allo schermo".

    Sono mostrati gli strati complessivi dell'assorbitore in metamateriale. Lo strato nero è il substrato, lo strato verde solido è palladio, lo strato blu trasparente è poliimmide, lo strato verde rotto è lo strato modellato e lo strato blu trasparente è di nuovo poliimmide per sigillare e proteggere. Credito:Bossard, Penn State

    Per progettare lo schermo necessario per questo metamateriale, i ricercatori hanno utilizzato un algoritmo genetico. Hanno descritto lo schema dello schermo con una serie di zeri e uno, un cromosoma, e hanno lasciato che l'algoritmo selezionasse casualmente i modelli per creare una popolazione iniziale di progetti candidati. L'algoritmo ha quindi testato i modelli ed eliminato tutto tranne il migliore. I migliori modelli sono stati poi modificati casualmente per la seconda generazione. Anche in questo caso l'algoritmo ha scartato il peggio e ha mantenuto il meglio. Dopo un certo numero di generazioni, i buoni modelli hanno soddisfatto e persino superato gli obiettivi di progettazione. Lungo la strada è stato mantenuto il miglior modello di ogni generazione. Riportano i loro risultati in un recente numero di ACS Nano .

    "Non saremmo in grado di ottenere una copertura di banda di ottava senza l'algoritmo genetico, " ha detto Bossard. "In passato, i ricercatori hanno cercato di coprire la larghezza di banda utilizzando più livelli, ma più strati erano difficili da produrre e registrare correttamente."

    Questo metamateriale evoluto può essere facilmente fabbricato perché sono semplicemente strati di metallo o plastica che non necessitano di un allineamento complesso. Il cappuccio trasparente in poliimmide serve a proteggere lo schermo, ma aiuta anche a ridurre qualsiasi disadattamento di impedenza che potrebbe verificarsi quando l'onda si sposta dall'aria al dispositivo.

    Questo è un modello generale dell'assorbitore metamateriale. Credito:Bossard, Penn State

    "Gli algoritmi genetici sono usati nell'elettromagnetismo, ma siamo in prima linea nell'utilizzo di questo metodo per progettare metamateriali, " disse Bossard.


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