Des chercheurs de l'Université Duke ont imprimé en 3D de puissants métamatériaux électromagnétiques, en utilisant un matériau électriquement conducteur compatible avec une imprimante 3D standard.

La démonstration pourrait révolutionner la conception et le prototypage rapides d'applications radiofréquences telles que Bluetooth, Wifi, dispositifs de détection et de communication sans fil.

Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques composés de nombreux individus, dispositifs conçus appelés cellules qui produisent ensemble des propriétés que l'on ne trouve pas dans la nature. Lorsqu'une onde électromagnétique traverse le métamatériau, chaque cellule conçue manipule l'onde d'une manière spécifique pour dicter le comportement de l'onde dans son ensemble.

Les métamatériaux peuvent être adaptés pour avoir des propriétés non naturelles telles que la courbure de la lumière vers l'arrière, focalisant les ondes électromagnétiques sur plusieurs zones et absorbant parfaitement des longueurs d'onde spécifiques de la lumière. Mais les efforts précédents ont été limités aux circuits imprimés en 2D, limitant leur efficacité et leurs capacités et rendant leur fabrication difficile.

Dans un nouvel article paru en ligne dans la revue Lettres de physique appliquée , Les scientifiques et chimistes des matériaux de Duke ont montré un moyen d'amener les métamatériaux électromagnétiques dans la troisième dimension à l'aide d'imprimantes 3D courantes.

"Il y a beaucoup de structures métamatérielles 3-D compliquées que les gens ont imaginées, conçu et fabriqué en petit nombre pour prouver qu'ils pouvaient fonctionner, " a déclaré Steve Cummer, professeur de génie électrique et informatique à Duke. « Le défi de la transition vers ces conceptions plus complexes a été le processus de fabrication. Avec la possibilité de le faire sur une imprimante 3D commune, n'importe qui peut construire et tester un prototype potentiel en quelques heures à un coût relativement faible."

La clé pour faire des métamatériaux électromagnétiques imprimés en 3D une réalité était de trouver le bon matériau conducteur pour passer à travers une imprimante 3D commerciale. Ces imprimantes utilisent généralement des plastiques, qui sont généralement terribles pour conduire l'électricité.

Bien qu'il existe quelques solutions disponibles dans le commerce qui mélangent les métaux avec les plastiques, aucun n'est suffisamment conducteur pour créer des métamatériaux électromagnétiques viables. S'il existe des imprimantes 3D métal, ils coûtent jusqu'à 1 million de dollars et occupent une pièce entière.

C'est là que Benjamin Wiley, Duke professeur agrégé de chimie, est entré.

"Notre groupe est vraiment doué pour fabriquer des matériaux conducteurs, " dit Wiley, qui explore ces matériaux depuis près d'une décennie. "Nous avons vu cette lacune et réalisé qu'il y avait un énorme espace inexploré à combler et nous avons pensé que nous avions l'expérience et les connaissances pour tenter le coup."

Wiley et Shengrong Ye, un chercheur postdoctoral dans son groupe, a créé un matériau imprimable en 3D qui est 100 fois plus conducteur que tout ce qui existe actuellement sur le marché. Le matériel est actuellement vendu sous la marque Electrifi par Multi3D LLC, une startup fondée par Wiley et Ye. Bien qu'il ne soit toujours pas aussi conducteur que le cuivre ordinaire, Cummer a pensé qu'il pourrait être juste assez conducteur pour créer un métamatériau électromagnétique imprimé en 3D.

Dans le journal, Cummer et le doctorant Abel Yangbo Xie montrent que non seulement Electrifi est assez conducteur, il interagit avec les ondes radio presque aussi fortement que les métamatériaux traditionnels faits de cuivre pur. Cette petite différence est facilement compensée par la géométrie 3D des métamatériaux imprimés - les résultats montrent que les cubes de métamatériaux imprimés en 3D interagissent avec les ondes électromagnétiques 14 fois mieux que leurs homologues 2D.

En imprimant de nombreux cubes, chacun conçu pour interagir spécifiquement avec une onde électromagnétique d'une certaine manière, et en les combinant comme des blocs de construction Lego, les chercheurs peuvent commencer à construire de nouveaux appareils. Pour que les appareils fonctionnent, cependant, les ondes électromagnétiques doivent être à peu près de la même taille que les blocs individuels. Bien que cela exclue le spectre visible, infrarouge et rayons X, il laisse ouvert un large espace de conception en ondes radio et micro-ondes.

"Nous commençons maintenant à devenir plus agressifs avec nos conceptions de métamatériaux pour voir combien de complexité nous pouvons construire et combien cela pourrait améliorer les performances, " a déclaré Cummer. "Beaucoup de conceptions précédentes étaient compliquées à faire dans de grands échantillons. Vous pourriez le faire pour un article scientifique une fois juste pour montrer que cela a fonctionné, mais vous ne voudriez plus jamais le refaire. Cela rend les choses beaucoup plus faciles. Tout est sur la table maintenant."

"Nous pensons que cela pourrait changer la façon dont l'industrie des radiofréquences prototype de nouveaux appareils de la même manière que les imprimantes 3D ont changé les conceptions à base de plastique, " a déclaré Wiley. " Lorsque vous pouvez transmettre vos conceptions à d'autres personnes ou copier exactement ce que quelqu'un d'autre a fait en quelques heures, cela accélère vraiment le processus de conception."