工程师开发出廉价可扩展的方法来制造操纵微波能量的超材料

塔夫茨大学的工程师开发了新方法，可以更有效地制造与微波能量相互作用时表现出异常行为的材料，这对电信、GPS、雷达、移动设备和医疗设备具有潜在影响。它们被称为超材料，有时被称为“不可能的材料”，因为理论上它们可以弯曲物体周围的能量使它们看起来不可见，将能量传输集中到聚焦光束中，或者具有变色龙般的能力来重新配置它们的吸收或不同频率范围的传输。

今天在《自然电子》杂志上描述的这项创新使用低成本喷墨打印构建了超材料，使该方法具有广泛的可访问性和可扩展性，同时还提供了诸如应用于大的可贴合表面或与生物环境界面的能力等优点。这也是首次证明有机聚合物可用于电“调节”超材料的特性。

电磁超材料和超表面——它们的二维对应物——是以特殊方式与电磁波相互作用的复合结构。这些材料由微小的结构组成——比它们影响的能量的波长还要小——以重复的模式仔细排列。有序结构显示出独特的波相互作用能力，使非常规镜子、透镜和滤光片的设计能够阻挡、增强、反射、传输或弯曲波，超越传统材料的可能性。

塔夫茨大学的工程师通过使用导电聚合物作为基材来制造他们的超材料，然后喷墨打印特定的电极图案来制造微波谐振器。谐振器是通信设备中使用的重要组件，可以帮助过滤吸收或传输的能量的选择频率。可以对印刷设备进行电调谐，以调整调制器可以过滤的频率范围。

在微波频谱中运行的超材料设备可以广泛应用于电信、GPS、雷达和移动设备，在这些设备中，超材料可以显着提高其信号灵敏度和传输功率。研究中产生的超材料也可以应用于医疗设备通信，因为薄膜有机聚合物的生物相容性可以整合酶耦合传感器，而其固有的灵活性可以使设备被塑造成适合使用的贴合表面在身体上或体内。

“我们展示了对在电磁频谱的微波区域运行的超表面和超设备的特性进行电调节的能力，”塔夫茨大学工程学院工程教授、工程系主任 Fiorenzo Omenetto 说。创造材料的塔夫茨丝绸实验室，以及该研究的通讯作者。“与当前的元设备技术相比，我们的工作代表了一个有希望的步骤，后者在很大程度上取决于复杂且昂贵的材料和制造工艺。”

研究团队开发的调谐策略完全依赖于薄膜材料，这些材料可以通过大规模可扩展技术(例如印刷和涂层)在各种基板上进行处理和沉积。调整基底聚合物电性能的能力使作者能够在比传统非金属材料(<0.1 GHz)。

由于制造纳米级亚结构微小阵列的技术挑战，具有纳米级波长的可见光超材料的开发仍处于早期阶段，但具有厘米级波长的微波能量超材料更适合到常见制造方法的分辨率。作者建议，他们描述的使用喷墨印刷和其他形式沉积在薄膜导电聚合物上的制造方法可以开始测试超材料在较高电磁频谱频率下工作的极限。

“这项研究可能只是一个开始，”Omenetto 实验室的前博士后研究员、现在在斯坦福大学的 Giorgio Bonacchini 说，他是该研究的第一作者。“希望我们的概念验证设备将鼓励进一步探索有机电子材料和设备如何成功用于整个电磁频谱的可重构超材料和超表面。”

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