Los investigadores de la Universidad de Duke han impreso en 3D potentes metamateriales electromagnéticos, utilizando un material conductor de electricidad compatible con una impresora 3D estándar.

La demostración podría revolucionar el diseño rápido y la creación de prototipos de aplicaciones de radiofrecuencia como Bluetooth, Wifi, dispositivos inalámbricos de detección y comunicación.

Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos por muchos individuos, dispositivos diseñados llamados células que juntas 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 dictar cómo se comporta la onda como un todo.

Los metamateriales se pueden adaptar para que tengan propiedades antinaturales, como doblar la luz hacia atrás, enfocando ondas electromagnéticas en múltiples áreas y absorbiendo perfectamente longitudes de onda específicas de luz. Pero los esfuerzos anteriores se han limitado a placas de circuito 2-D, limitando su efectividad y habilidades y dificultando su fabricación.

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 manera de llevar metamateriales electromagnéticos a la tercera dimensión utilizando impresoras 3D comunes.

"Hay muchas estructuras complicadas de metamateriales tridimensionales que la gente ha 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 transición a estos diseños más complicados ha sido el proceso de fabricación. Con la capacidad de hacer esto en una impresora 3D 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 3D fue encontrar el material conductor adecuado para pasar por una impresora 3D comercial. Estas impresoras suelen utilizar plásticos, que suelen ser terribles para conducir la electricidad.

Si bien hay algunas soluciones disponibles comercialmente que mezclan metales con plásticos, ninguno es lo suficientemente conductor como para crear metamateriales electromagnéticos viables. Si bien existen impresoras 3D de metal, cuestan hasta un millón de dólares y ocupan una habitación entera.

Ahí es donde Benjamin Wiley, Profesor asociado de química de Duke, llegó en.

"Nuestro grupo es muy bueno en la fabricación de materiales conductores, "dijo Wiley, que ha estado explorando estos materiales durante casi una década. "Vimos esta brecha y nos dimos cuenta de que había un enorme espacio inexplorado que llenar y pensamos que teníamos la experiencia y el conocimiento para intentarlo".

Wiley y Shengrong Ye, un investigador postdoctoral en su grupo, creó un material imprimible en 3-D que es 100 veces más conductor que cualquier otro material actualmente en el mercado. El material se vende actualmente bajo la marca Electrifi por Multi3D LLC, una startup 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 papel, Cummer y el estudiante de doctorado Abel Yangbo Xie demuestran que no solo Electrifi es suficientemente conductor, interactúa con las ondas de radio casi tan fuertemente como los metamateriales tradicionales hechos con cobre puro. Esa pequeña diferencia se compensa fácilmente con la geometría tridimensional de los metamateriales impresos; los resultados muestran que los cubos de metamateriales impresos en 3D interactúan con ondas electromagnéticas 14 veces mejor que sus homólogos bidimensionales.

Imprimiendo numerosos cubos, cada uno diseñado para interactuar específicamente con una onda electromagnética de cierta manera, y combinándolos como bloques de construcción de Lego, los investigadores pueden comenzar a construir nuevos dispositivos. Para que los dispositivos funcionen, sin embargo, las ondas electromagnéticas deben tener aproximadamente el mismo tamaño que los bloques individuales. Si bien esto descarta el espectro visible, infrarrojos y rayos X, deja abierto 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 eso podría mejorar el rendimiento. ", dijo Cummer." Muchos diseños anteriores eran complicados de hacer en muestras grandes. Podrías hacerlo para un artículo científico una vez solo para demostrar que funcionó, pero no querrás volver a hacerlo nunca. Esto lo hace mucho más fácil. Ahora todo está sobre la mesa ".

"Creemos que esto podría cambiar la forma en que la industria de la radiofrecuencia crea prototipos de nuevos dispositivos de la misma manera que las impresoras 3D cambiaron los diseños basados ​​en plástico, ", dijo Wiley." Cuando puedes entregar tus diseños a otras personas o copiar exactamente lo que alguien más ha hecho en cuestión de horas, que realmente acelera el proceso de diseño ".