Uma ilustração de como células unitárias de metamaterial impressas em 3-D podem ser combinadas como blocos de Lego para criar estruturas que dobram ou focalizam a radiação de micro-ondas com mais força do que qualquer material encontrado na natureza. Crédito:Abel Yangbo Xie, Universidade Duke
Pesquisadores da Duke University imprimiram em 3-D potentes metamateriais eletromagnéticos, usando um material eletricamente condutor compatível com uma impressora 3-D padrão.
A demonstração pode revolucionar o rápido design e prototipagem de aplicações de radiofrequência, como Bluetooth, Wi-fi, sensores sem fio e dispositivos de comunicação.
Metamateriais são materiais sintéticos compostos de muitos indivíduos, dispositivos projetados chamados células que, juntos, produzem propriedades não encontradas na natureza. Conforme uma onda eletromagnética se move através do metamaterial, cada célula projetada manipula a onda de uma maneira específica para ditar como a onda se comporta como um todo.
Metamateriais podem ser adaptados para ter propriedades não naturais, como dobrar a luz para trás, focalizando ondas eletromagnéticas em várias áreas e absorvendo perfeitamente comprimentos de onda específicos da luz. Mas os esforços anteriores foram restritos a placas de circuito 2-D, limitando sua eficácia e habilidades e dificultando sua fabricação.
Em um novo artigo publicado online no jornal Cartas de Física Aplicada , Cientistas e químicos de materiais da Duke mostraram uma maneira de trazer metamateriais eletromagnéticos para a terceira dimensão usando impressoras 3-D comuns.
Demora cerca de 20 minutos para imprimir em 3-D uma célula de unidade de metamaterial usando o filamento Electrifi e uma impressora 3-D de custo relativamente baixo. Ao combinar uma série dessas células, cada um feito sob medida para interagir com uma onda eletromagnética de uma certa maneira, os pesquisadores podem criar uma estrutura que pode manipular poderosamente a radiação de microondas. Crédito:Shengrong Ye, Universidade Duke
"Existem muitas estruturas metamateriais 3-D complicadas que as pessoas imaginaram, projetados e feitos em pequenos números para provar que podem funcionar, "disse Steve Cummer, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke. "O desafio da transição para esses designs mais complicados tem sido o processo de fabricação. Com a capacidade de fazer isso em uma impressora 3-D comum, qualquer um pode construir e testar um protótipo potencial em questão de horas com custo relativamente baixo. "
A chave para tornar realidade os metamateriais eletromagnéticos impressos em 3-D era encontrar o material condutor certo para passar por uma impressora 3-D comercial. Essas impressoras geralmente usam plásticos, que são normalmente péssimos na condução de eletricidade.
Embora existam algumas soluções disponíveis comercialmente que misturam metais com os plásticos, nenhum é condutor o suficiente para criar metamateriais eletromagnéticos viáveis. Embora existam impressoras 3D de metal, custam até US $ 1 milhão e ocupam uma sala inteira.
É onde Benjamin Wiley, Duke professor associado de química, entrou
"Nosso grupo é realmente bom em fazer materiais condutores, "disse Wiley, que vem explorando esses materiais há quase uma década. "Vimos essa lacuna e percebemos que havia um enorme espaço inexplorado a ser preenchido e pensamos que tínhamos a experiência e o conhecimento para dar uma chance."
Experimentos e simulações mostram que os cubos impressos 3-D interagem com ondas eletromagnéticas 14 vezes mais fortemente do que suas contrapartes 2-D. Crédito:Duke University
Wiley e Shengrong Ye, um pesquisador de pós-doutorado em seu grupo, criou um material imprimível em 3-D que é 100 vezes mais condutivo do que qualquer coisa atualmente no mercado. O material está sendo vendido sob a marca Electrifi por Multi3D LLC, uma startup fundada por Wiley e Ye. Embora ainda não seja tão condutivo quanto o cobre normal, Cummer pensou que poderia ser condutivo o suficiente para criar um metamaterial eletromagnético impresso em 3-D.
No papel, Cummer e o estudante de doutorado Abel Yangbo Xie mostram que não só o Electrifi é condutor o suficiente, ele interage com as ondas de rádio quase tão fortemente quanto os metamateriais tradicionais feitos com cobre puro. Essa pequena diferença é facilmente compensada pela geometria 3-D dos metamateriais impressos - os resultados mostram que os cubos de metamateriais impressos 3-D interagem com ondas eletromagnéticas 14 vezes melhor do que suas contrapartes 2-D.
Ao imprimir vários cubos, cada um feito sob medida para interagir especificamente com uma onda eletromagnética de uma certa maneira, e combiná-los como blocos de construção de Lego, os pesquisadores podem começar a construir novos dispositivos. Para que os dispositivos funcionem, Contudo, as ondas eletromagnéticas devem ser aproximadamente do mesmo tamanho que os blocos individuais. Embora isso exclua o espectro visível, infravermelho e raios-X, ele deixa aberto um amplo espaço de design em ondas de rádio e microondas.
"Agora estamos começando a ser mais agressivos com nossos designs de metamateriais para ver quanta complexidade podemos construir e quanto isso pode melhorar o desempenho, "disse Cummer." Muitos projetos anteriores eram complicados de fazer em grandes amostras. Você poderia fazer isso para um artigo científico uma vez, apenas para mostrar que funcionou, mas você nunca mais vai querer fazer isso de novo. Isso torna muito mais fácil. Tudo está na mesa agora. "
"Achamos que isso pode mudar a forma como a indústria de radiofrequência cria protótipos de novos dispositivos da mesma forma que as impressoras 3-D mudaram os designs baseados em plástico, "disse Wiley." Quando você pode entregar seus projetos a outras pessoas ou copiar exatamente o que outra pessoa fez em questão de horas, isso realmente acelera o processo de design. "
