美國塔夫斯大學(Tufts University)的工程師們使用3D打印的元材料(metamaterial)開發(fā)了新的光學設備。

該研究發(fā)表在Springer Nature 出版的《微系統與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）期刊上，展示了利用立體光刻技術（SLA）創(chuàng)建超材料嵌入式幾何光學（MEGOs）的方法。這些3D打印的結構能夠從所選波長的任何方向吸收電磁信號。

“利用超材料整合功能的能力，對于減小光譜儀和其他光學測量設備的尺寸非常有用，因此它們可以設計用于便攜式現場研究，”塔夫茨大學工程學院電氣和計算機工程教授Sameer Sonkusale說。

用于光學設備的3D打印超材料

此次3D打印的超材料結合了獨特的屬性，如電動和聲波操作、光學特性，以及壓力引起的形狀轉換。這些材料可以在低至200納米的分辨率下制造，這使得它們足夠小以處理波長的能量，因此可用于光學和醫(yī)療設備。

根據Tuft納米實驗室的研究人員的說法，雙光子聚合（TPP）和SLA等3D打印技術可以為制造更精細的超材料提供這樣的打印分辨率，這些超材料可以檢測和操縱包括可見光在內的電磁信號。

因此，該團隊使用Formlabs Form 2 3D打印機，金屬涂層和蝕刻來制作具有復雜幾何形狀的超材料，用于微波范圍內的波長。在此基礎上，他們創(chuàng)建了一種半球形裝置，可以在選定波長的任何方向吸收電磁信號。這種設計靈感來源于飛蛾的復眼，它就是使用這種功能來檢測光線的。

MEGO結構制造過程的示意圖。在3D打印之后，結構涂覆有導電膏。

第二種方案是將濺射金屬放置在器件上，然后浸沒在蝕刻劑（腐蝕性化學品）中以除去襯底上的現有金屬。

作為增材制造的結果，可以設想各種形狀、尺寸和圖案取向以產生MEGO，其以比傳統制造方法改進的方式吸收、增強、反射或彎曲。

“MEGO 3D打印的全部潛力尚未實現，”塔夫斯大學工程學院Sankusale實驗室研究生、該研究的主要作者Aydin Sadeqi補充道?！拔覀兛梢岳卯斍暗募夹g做更多的事情，并且3D打印一定會由此衍生出巨大的潛力?！?/p>

“利用金屬圖案嵌入的大面積3D電介質打印技術，我們能夠設計和實現具有獨特功能的MEGO設備?！?/p>

研究人員認為，提高3D打印的分辨率將使MEGO設備在不久的將來進一步達到光學頻率的太赫茲波長。

研究成果《超材料嵌入式幾何光學（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共同撰寫。

在涂覆超材料（a）之前和之后（d）之前的結構形態(tài)。圖片來自塔夫斯大學。

此方法中使用以下組件：

- 蘑菇狀超材料

- 彎曲的廣角超材料吸收器/反射器

- 頻率選擇性蛾眼半球吸收器

典型的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水等，它們時常表現出“超?！钡奈锢硖匦?，例如負磁導率、負介電常數、負折射率等。

如今，超材料已經成為一項非常熱門且應用范圍極廣的前沿技術。超材料的應用領域包括光纖、醫(yī)療設備、航空航天、傳感器、基礎設施監(jiān)控、智能太陽能管理、雷達罩、雷達天線、聲學隱身技術、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術等。

無論是現在還是未來，研究人員們開發(fā)出的制造方法都表明，3D打印技術有望拓展幾何設計與復合材料的范圍，帶來具有新穎光學特性的設備。