Los investigadores han desarrollado una máquina de dibujo automática que utiliza bolígrafos y lápices para dibujar metamateriales en papel. Demostraron el nuevo enfoque usándolo para fabricar tres metamateriales que pueden usarse para manipular la región de microondas del espectro electromagnético.
Los metamateriales son materiales compuestos diseñados artificialmente que derivan sus propiedades de microestructuras modeladas, en lugar de la composición química de los materiales en sí. La forma, la geometría, el tamaño, la orientación y la disposición exactos de las estructuras se pueden utilizar para manipular las ondas electromagnéticas de formas que no son posibles con los materiales convencionales.
«Los metamateriales, especialmente los que se usan como absorbentes, generalmente deben ser delgados, livianos, anchos y fuertes, pero no es fácil crear dispositivos delgados y livianos utilizando sustratos tradicionales», dijo el líder del equipo de investigación, Junming Zhao, de la Universidad de Nanjing en China. «Usar papel como sustrato puede ayudar a cumplir con estos requisitos y al mismo tiempo se presta a metasuperficies que se ajustan a una superficie o que son mecánicamente reconfigurables».
en el diario Expreso de materiales ópticos, los investigadores describen su nueva técnica, que utiliza un bolígrafo con tinta conductora para dibujar conductores y lápices mecánicos para dibujar resistencias y películas resistivas. Incorporaron este proceso en una máquina de dibujo controlada por computadora para hacerlo más automático y preciso.
«Aunque los metamateriales a base de papel se han fabricado anteriormente con tecnología de impresión de inyección de tinta, nuestra técnica de dibujo es más económica, más simple y más flexible», dijo Zhao. «Nuestro método podría ser útil para fabricar antenas y metalenses reconfigurables, así como dispositivos de metamateriales que absorban la energía electromagnética incidente de los teléfonos móviles u otras fuentes».
Dibujo automatizado
La nueva máquina de dibujo utiliza bolígrafos con tinta que contiene material conductor o lápices mecánicos normales con contenido variable de grafito. Tiene tres motores paso a paso, dos de los cuales controlan el movimiento de la pluma o el lápiz en el plano horizontal, mientras que el otro levanta o deja caer el instrumento de escritura en el plano vertical. Los parámetros de la máquina de dibujo, como la velocidad de movimiento, son controlados por una computadora.
«Parte del papel que probamos no era muy compatible con los lápices o bolígrafos de tinta conductiva, lo que resultó en una mala conductividad de los patrones dibujados», dijo Zhao. «Después de algunas pruebas, descubrimos que el mejor rendimiento provino del uso de papel de 0,22 mm de grosor, que es fácil de obtener y muy compatible con los lápices y la tinta conductora».
Los investigadores utilizaron la pluma de tinta conductiva para dibujar patrones en papel y encontraron que los patrones tenían una buena conductividad de 3 × 106 Siemens por metro. También probaron lápices con varias cantidades de grafito, tiempos de dibujo y presiones de dibujo para caracterizar cómo estos factores afectaban la resistencia eléctrica. Esto les permitió calcular las condiciones necesarias para dibujar patrones con una resistencia específica.
Creación de metamateriales de papel
Usando su nueva técnica de dibujo, los investigadores diseñaron y fabricaron tres metamateriales diferentes basados en papel: un convertidor de polarización, un absorbedor y una metasuperficie de codificación conforme. Demostraron que el convertidor de polarización podía rotar la polarización lineal 90° con una eficiencia de conversión de más del 90 % de 3,1 a 6,6 GHz. El absorbedor que fabricaron tenía una masa de solo 58,3 gramos y alcanzó una capacidad de absorción del 90 % entre 2,1 GHz y 10,5 GHz.
Los investigadores también crearon una metasuperficie de codificación conforme que podría usarse para la reducción de la sección transversal del radar, que se usa para ocultar la señal del radar en aviones y barcos militares. Esta metasuperficie tenía dos unidades estructurales con una diferencia de fase de reflexión de 180° entre sí, lo que les permitía actuar como ‘0′ y ‘Elementos de 1′ para codificación de 1 bit. Cuando se dobló alrededor de una superficie curva, esta metasuperficie logró una reducción de la sección transversal del radar de 10 dB en una banda de frecuencia de 8,94 a 11,59 GHz.
«Esperamos que en el futuro podamos usar la tecnología de dibujo para diseñar y fabricar metadispositivos que puedan llevarse o aplicarse sobre la piel para lograr un blindaje electromagnético y otras funciones», dijo Zhao. «También planeamos diseñar metamateriales mecánicamente reconfigurables que aprovechen el hecho de que el papel se puede doblar y plegar».
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Óptica. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
