Une équipe d'ingénieurs de l'Université Tufts a développé une série de métamatériaux imprimés en 3D avec des propriétés micro-ondes ou optiques uniques qui vont au-delà de ce qui est possible en utilisant des matériaux optiques ou électroniques conventionnels. Les méthodes de fabrication développées par les chercheurs démontrent le potentiel, présent et futur, de l'impression 3D pour élargir la gamme de conceptions géométriques et de matériaux composites qui conduisent à des dispositifs dotés de nouvelles propriétés optiques. Dans un cas, les chercheurs se sont inspirés de l'œil composé d'un papillon de nuit pour créer un dispositif hémisphérique capable d'absorber les signaux électromagnétiques de n'importe quelle direction à des longueurs d'onde sélectionnées. La recherche a été publiée aujourd'hui dans la revue Microsystèmes et nano-ingénierie , publié par Springer Nature.

Les métamatériaux étendent les capacités des matériaux conventionnels dans les dispositifs en utilisant des caractéristiques géométriques disposées en motifs répétitifs à des échelles inférieures aux longueurs d'onde de l'énergie détectées ou influencées. Les nouveaux développements de la technologie d'impression 3D permettent de créer beaucoup plus de formes et de motifs de métamatériaux, et à des échelles toujours plus petites. Dans l'étude, des chercheurs du Nano Lab de Tufts décrivent une approche de fabrication hybride utilisant l'impression 3D, revêtement métallique et gravure pour créer des métamatériaux avec des géométries complexes et de nouvelles fonctionnalités pour les longueurs d'onde dans la gamme des micro-ondes.

Par exemple, ils ont créé un éventail de minuscules structures en forme de champignon, chacun tenant un petit résonateur en métal à motifs au sommet d'une tige. Cette disposition particulière permet d'absorber des micro-ondes de fréquences spécifiques, en fonction de la géométrie choisie des "champignons" et de leur espacement. L'utilisation de ces métamatériaux pourrait être utile dans des applications telles que les capteurs dans le diagnostic médical et comme antennes dans les télécommunications ou les détecteurs dans les applications d'imagerie.

D'autres dispositifs développés par les auteurs comprennent des réflecteurs paraboliques qui absorbent et transmettent sélectivement certaines fréquences. De tels concepts pourraient simplifier les dispositifs optiques en combinant les fonctions de réflexion et de filtrage en une seule unité. « La capacité de consolider des fonctions à l'aide de métamatériaux pourrait être incroyablement utile, " a déclaré Sameer Sonkusale, professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'École d'ingénierie de l'Université Tufts, qui dirige le Nano Lab de Tufts et est l'auteur correspondant de l'étude. "Il est possible que nous puissions utiliser ces matériaux pour réduire la taille des spectromètres et autres appareils de mesure optique afin qu'ils puissent être conçus pour une étude portable sur le terrain."

Les produits de la combinaison de la structuration optique/électronique avec la fabrication en 3D du substrat sous-jacent sont appelés par les auteurs des métamatériaux intégrés avec une optique géométrique, ou MEGO. D'autres formes, tailles, et les orientations de l'impression 3D à motifs peuvent être conçues pour créer des MEGO qui absorbent, améliorer, réfléchir ou plier les ondes d'une manière qui serait difficile à réaliser avec les méthodes de fabrication conventionnelles.

Il existe un certain nombre de technologies maintenant disponibles pour l'impression 3D, et l'étude actuelle utilise la stéréolithographie, qui focalise la lumière pour polymériser les résines photo-durcissables dans les formes souhaitées. Autres technologies d'impression 3D, comme la polymérisation à deux photons, peut fournir une résolution d'impression jusqu'à 200 nanomètres, qui permet la fabrication de métamatériaux encore plus fins capables de détecter et de manipuler des signaux électromagnétiques de longueurs d'onde encore plus petites, incluant potentiellement la lumière visible.

"Le plein potentiel de l'impression 3D pour les MEGO n'a pas encore été réalisé, " a déclaré Aydin Sadeqi, étudiant diplômé du laboratoire de Sankusale à la Tufts University School of Engineering et auteur principal de l'étude. "Nous pouvons faire beaucoup plus avec la technologie actuelle, et un vaste potentiel à mesure que l'impression 3D évolue inévitablement."