灵感来源于飞蛾复眼!研究人员利用3D打印超材料开发出新型光学设备

美国塔夫斯大学(Tufts University)的工程师们使用3D打印的超材料(metamaterial)来开发新型的光学设备。


该研究发表在Springer Nature 出版的《微系统与纳米工程》(Microsystems & Nanoengineering)期刊上,展示了利用立体光刻技术(SLA)创建超材料嵌入式几何光学(MEGOs)的方法。这些3D打印的结构能够从所选波长的任何方向吸收电磁信号。

“利用超材料整合功能的能力,对于减小光谱仪和其他光学测量设备的尺寸非常有用,因此它们可以设计用于便携式现场研究,”塔夫茨大学工程学院电气和计算机工程教授Sameer Sonkusale说。

用于光学设备的3D打印超材料

此次3D打印的超材料结合了独特的属性,如电动和声波操作、光学特性,以及压力引起的形状转换。这些材料可以在低至200纳米的分辨率下制造,这使得它们足够小以处理波长的能量,因此可用于光学和医疗设备。

根据Tuft纳米实验室的研究人员的说法,双光子聚合(TPP)和SLA等3D打印技术可以为制造更精细的超材料提供这样的打印分辨率,这些超材料可以检测和操纵包括可见光在内的电磁信号。

因此,该团队使用Formlabs Form 2 3D打印机,金属涂层和蚀刻来制作具有复杂几何形状的超材料,用于微波范围内的波长。在此基础上,他们创建了一种半球形装置,可以在选定波长的任何方向吸收电磁信号。这种设计灵感来源于飞蛾的复眼,它就是使用这种功能来检测光线的。



MEGO结构制造过程的示意图。在3D打印之后,结构涂覆有导电膏。

第二种方案是将溅射金属放置在器件上,然后浸没在蚀刻剂(腐蚀性化学品)中以除去衬底上的现有金属。

作为增材制造的结果,可以设想各种形状、尺寸和图案取向以产生MEGO,其以比传统制造方法改进的方式吸收、增强、反射或弯曲。

“MEGO 3D打印的全部潜力尚未实现,”塔夫斯大学工程学院Sankusale实验室研究生、该研究的主要作者Aydin Sadeqi补充道。“我们可以利用当前的技术做更多的事情,并且3D打印一定会由此衍生出巨大的潜力。”

“利用金属图案嵌入的大面积3D电介质打印技术,我们能够设计和实现具有独特功能的MEGO设备。”

研究人员认为,提高3D打印的分辨率将使MEGO设备在不久的将来进一步达到光学频率的太赫兹波长。

研究成果《超材料嵌入式几何光学(MEGO)的3D打印》(Three-dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics (MEGO))由Aydin Sadeqi、Hojatollah Rezaei Nejad、Rachel E. Owyeung和Sameer Sonkusale共同撰写。




在涂覆超材料(a)之前和之后(d)之前的结构形态。图片来自塔夫斯大学。

此方法中使用以下组件:

- 蘑菇状超材料

- 弯曲的广角超材料吸收器/反射器

- 频率选择性蛾眼半球吸收器

典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等,它们时常表现出“超常”的物理特性,例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。

如今,超材料已经成为一项非常热门且应用范围极广的前沿技术。超材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。

无论是现在还是未来,研究人员们开发出的制造方法都表明,3D打印技术有望拓展几何设计与复合材料的范围,带来具有新颖光学特性的设备。(前瞻网)