Los investigadores de la Universidad de Duke tienen metamateriales electromagnéticos potentes impresos en 3D, utilizando un material eléctricamente conductor compatible con una impresora tridimensional estándar.
La demostración podría revolucionar el diseño rápido y la creación de prototipos de aplicaciones de radiofrecuencia como Bluetooth, Wi-Fi, sensores inalámbricos y dispositivos de comunicaciones.
Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos de muchos dispositivos individuales diseñados por ingeniería llamados células que juntos producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza. A medida que una onda electromagnética se mueve a través del metamaterial, cada célula diseñada manipula la onda de una manera específica para determinar cómo se comporta la onda.entero.
Los metamateriales se pueden adaptar para que tengan propiedades antinaturales, como doblar la luz hacia atrás, enfocar las ondas electromagnéticas en múltiples áreas y absorber perfectamente longitudes de onda específicas de la luz. Pero los esfuerzos anteriores se han limitado a las placas de circuito 2-D, lo que limita su eficacia y habilidades y hacesu fabricación difícil
en un nuevo artículo que aparece en línea en la revista letras de física aplicada , los científicos y químicos de materiales de Duke han mostrado una forma de llevar los metamateriales electromagnéticos a la tercera dimensión utilizando impresoras tridimensionales comunes.
"Hay muchas estructuras metamateriales tridimensionales complicadas que las personas han imaginado, diseñado y fabricado en pequeñas cantidades para demostrar que pueden funcionar", dijo Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "El desafío en la transiciónPara estos diseños más complicados ha sido el proceso de fabricación. Con la capacidad de hacer esto en una impresora tridimensional común, cualquiera puede construir y probar un prototipo potencial en cuestión de horas con un costo relativamente bajo ".
La clave para hacer realidad los metamateriales electromagnéticos impresos en 3-D era encontrar el material conductor adecuado para pasar por una impresora 3-D comercial. Dichas impresoras usualmente usan plásticos, que generalmente son terribles para conducir la electricidad.
Si bien existen algunas soluciones disponibles comercialmente que mezclan metales con los plásticos, ninguna es lo suficientemente conductiva como para crear metamateriales electromagnéticos viables. Si bien existen impresoras 3-D de metal, cuestan hasta $ 1 millón y ocupan una habitación entera.
Ahí es donde entró Benjamin Wiley, profesor asociado de química de Duke.
"Nuestro grupo es realmente bueno en la fabricación de materiales conductores", dijo Wiley, quien ha estado explorando estos materiales durante casi una década. "Vimos esta brecha y nos dimos cuenta de que había un gran espacio inexplorado que llenar y pensamos que teníamos la experienciay conocimiento para darle una oportunidad "
Wiley y Shengrong Ye, un investigador postdoctoral en su grupo, crearon un material imprimible en 3D que es 100 veces más conductivo que cualquier cosa actualmente en el mercado. El material se vende actualmente bajo la marca Electrifi por Multi3D LLC, unstartup fundada por Wiley y Ye. Aunque todavía no es tan conductor como el cobre normal, Cummer pensó que podría ser lo suficientemente conductor como para crear un metamaterial electromagnético impreso en 3D.
En el documento, Cummer y el estudiante de doctorado Abel Yangbo Xie muestran que no solo es lo suficientemente conductivo Electrifi, sino que interactúa con las ondas de radio casi tan fuertemente como los metamateriales tradicionales hechos con cobre puro. Esa pequeña diferencia se compensa fácilmente con los metamateriales impresos'Geometría 3D: los resultados muestran que los cubos de metamateriales impresos en 3D interactúan con las ondas electromagnéticas 14 veces mejor que sus contrapartes en 2D.
Al imprimir numerosos cubos, cada uno adaptado para interactuar específicamente con una onda electromagnética de cierta manera, y combinándolos como bloques de construcción Lego, los investigadores pueden comenzar a construir nuevos dispositivos. Sin embargo, para que los dispositivos funcionen, las ondas electromagnéticas deben seraproximadamente del mismo tamaño que los bloques individuales. Si bien esto excluye el espectro visible, infrarrojos y rayos X, deja un amplio espacio de diseño en ondas de radio y microondas.
"Ahora estamos empezando a ser más agresivos con nuestros diseños de metamateriales para ver cuánta complejidad podemos construir y cuánto podría mejorar el rendimiento", dijo Cummer. "Muchos diseños anteriores eran complicados de hacer en muestras grandes. Podríahazlo una vez para un artículo científico solo para demostrar que funcionó, pero nunca querrás volver a hacerlo. Esto lo hace mucho más fácil. Todo está sobre la mesa ahora ".
"Creemos que esto podría cambiar la forma en que la industria de la radiofrecuencia crea prototipos de dispositivos nuevos de la misma manera que las impresoras 3-D cambiaron los diseños basados en plástico", dijo Wiley. "Cuando puede entregar sus diseños a otras personas o copiar exactamente quéalguien más lo ha hecho en cuestión de horas, lo que realmente acelera el proceso de diseño "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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