Forscher 3D-Drucken Metamaterialien mit neuartigen optischen Eigenschaften

Ein Team von Ingenieuren an der Tufts University hat eine Serie von 3D-gedruckten Metamaterialien 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 Herstellungsmethoden demonstrieren das gegenwärtige und zukünftige Potenzial des 3D-Drucks, um die Palette geometrischer Konstruktionen und Materialverbunde zu erweitern, die zu Bauteilen mit neuartigen optischen Eigenschaften führen. In einem Fall ließen sich die Forscher vom zusammengesetzten Auge einer Motte inspirieren, um ein halbkugelförmiges Gerät zu schaffen, das elektromagnetische Signale aus beliebigen Richtungen bei ausgewählten Wellenlängen absorbieren kann. Die Studie wurde heute in der von Springer Nature herausgegebenen Zeitschrift Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht.

Metamaterialien erweitern die Fähigkeiten herkömmlicher Materialien in Bauelementen, indem sie geometrische Merkmale verwenden, die in sich wiederholenden Mustern in Maßstäben angeordnet sind, die kleiner sind als die Wellenlängen der Energie, die erfasst oder beeinflusst werden. Neue Entwicklungen in der 3D-Drucktechnologie ermöglichen es, viele weitere Formen und Muster von Metamaterialien in immer kleineren Maßstäben zu erzeugen. In der Studie beschreiben Forscher am Nano Lab in Tufts einen Hybridherstellungsansatz, bei dem mit 3D-Druck, Metallbeschichtung und Ätzen Metamaterialien mit komplexen Geometrien und neuartigen Funktionalitäten für Wellenlängen im Mikrowellenbereich erzeugt werden.

Sie schufen zum Beispiel eine Reihe winziger, pilzförmiger Strukturen, die jeweils einen kleinen gemusterten Metallresonator oben auf einem Stiel halten. Diese besondere Anordnung erlaubt es, Mikrowellen bestimmter Frequenzen zu absorbieren, abhängig von der gewählten Geometrie der “Pilze” und ihrem Abstand. Die Verwendung solcher Metamaterialien könnte in Anwendungen wie Sensoren in der medizinischen Diagnose und als Antennen in der Telekommunikation oder Detektoren in Bildgebungsanwendungen nützlich sein.

Andere von den Autoren entwickelte Geräte umfassen parabolische Reflektoren, die bestimmte Frequenzen selektiv absorbieren und übertragen. Solche Konzepte könnten optische Geräte vereinfachen, indem sie die Funktionen der Reflexion und Filterung in einer Einheit kombinieren. “Die Möglichkeit, Funktionen mithilfe von Metamaterialien zu konsolidieren, könnte unglaublich nützlich sein”, sagte Sameer Sonkusale, Professor für Elektro- und Computertechnik an der School of Engineering der Tufts University, der das Nano Lab von Tufts leitet und korrespondierender Autor der Studie ist. “Es ist möglich, dass wir diese Materialien verwenden könnten, um die Größe von Spektrometern und anderen optischen Messgeräten zu reduzieren, sodass sie für tragbare Feldstudien entwickelt werden können.”

Die Produkte der Kombination von optischer/elektronischer Strukturierung mit 3D-Herstellung des darunterliegenden Substrats werden von den Autoren als Metamaterialien bezeichnet, die mit geometrischer Optik oder MEGO eingebettet sind. Andere Formen, Größen und Ausrichtungen des gemusterten 3D-Drucks können so konzipiert werden, dass MEGOs entstehen, die Wellen auf eine Weise absorbieren, verstärken, reflektieren oder biegen, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren schwer zu erreichen wäre.

Derzeit gibt es eine Reihe von Technologien für den 3D-Druck. In der aktuellen Studie wird die Stereolithographie eingesetzt, bei der Licht fokussiert wird, um durch Licht härtbare Harze in die gewünschten Formen zu polymerisieren. Andere 3D-Drucktechnologien, wie z. B. die Zwei-Photonen-Polymerisation, können eine Druckauflösung von bis zu 200 Nanometern bereitstellen, wodurch die Herstellung von noch feineren Metamaterialien ermöglicht wird, die elektromagnetische Signale noch kleinerer Wellenlängen erfassen und manipulieren können, die möglicherweise sichtbares Licht enthalten.

“Das volle Potenzial des 3D-Druckens für MEGOs ist noch nicht ausgeschöpft”, sagte Aydin Sadeqi, Doktorandin in Sankusales Labor an der Tufts University School of Engineering und Hauptautor der Studie. “Mit der aktuellen Technologie können wir noch viel mehr tun, und ein enormes Potenzial für den 3D-Druck ist unausweichlich.”