Los metamateriales eletromagnéticos alcanzan la tercera dimensión

La demostración podría revolucionar el rápido diseño y creación de prototipos de aplicaciones de radiofrecuencia como Bluetooth, Wi-Fi, sensores inalámbricos y dispositivos de comunicaciones.

Investigadores de la Universidad de Duke han producido potentes metamateriales electromagnéticos impresos en 3-D, usando un material eléctricamente conductor compatible con una impresora 3-D estándar.

La demostración podría revolucionar el rápido diseño y creación de prototipos de aplicaciones de radiofrecuencia como Bluetooth, Wi-Fi, sensores inalámbricos y dispositivos de comunicaciones.

Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos de muchos dispositivos individuales diseñados, llamados células, que juntos producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Cuando una onda electromagnética se mueve a través del metamaterial, cada célula manipulada altera la onda de una manera específica para dictar cómo la onda se comporta como un todo.

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Los metamateriales pueden adaptarse para tener propiedades no naturales tales como curvar la luz hacia atrás, enfocar las ondas electromagnéticas en múltiples áreas y absorber de forma perfecta longitudes de onda específicas de la luz. Sin embargo, los esfuerzos previos se han visto limitados a las placas de circuitos impresos 2-D, limitando su eficacia y capacidad y dificultando su fabricación.

En un nuevo artículo aparecido en línea en la revista Applied Physics Letters, los científicos y químicos de Duke Materials han mostrado una manera de llevar los metamateriales electromagnéticos a la tercera dimensión usando impresoras 3-D comunes.

«Hay muchas estructuras metamateriales tridimensionales complicadas que la gente ha imaginado, diseñado y hecho en pequeños números para probar que podrían funcionar», dijo en un comunicado Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática de 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 tridimensional común, cualquiera puede construir y probar un prototipo potencial en cuestión de horas con un costo relativamente bajo».

La clave para hacer que los metamateriales electromagnéticos impresos en 3-D fueran una realidad fue encontrar el material conductor correcto para funcionar a través de una impresora comercial 3-D. Tales impresoras usan generalmente plásticos, que son típicamente terribles en la conducción de la electricidad.

Si bien hay algunas soluciones comercialmente disponibles que mezclan los metales con los plásticos, ninguno es suficientemente conductivo para crear metamateriales electromagnéticos viables. Aunque las impresoras de metal 3-D existen, cuestan un millón de dólares y ocupan toda una habitación.

Ahí es donde entró Benjamin Wiley, profesor asociado de química de Duke. «Nuestro grupo es realmente 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 para ser llenado y pensamos que teníamos la experiencia y el conocimiento para darle un tiro».

Wiley y Shengrong Ye, un investigador postdoctoral de su grupo, creó un material imprimible 3-D que es 100 veces más conductivo que cualquier cosa actualmente en el mercado. El material está siendo vendido bajo la marca Electrifi por Multi3D LLC, una startup fundada por Wiley y Ye. Aunque aún no era tan conductivo como el cobre normal, Cummer pensó que podría ser lo suficientemente conductivo como para crear un metamaterial electromagnético impreso en 3-D.

En el artículo, Cummer y el doctorado Abel Yangbo Xie demuestran que Electrifi no sólo es lo suficientemente conductor como para interactuar con ondas de radio casi tan fuertemente como los metamateriales tradicionales hechos con cobre puro. Esta pequeña diferencia es fácilmente compensada por la geometría tridimensional de los metamateriales impresos. Los resultados muestran que los cubos de metamateriales impresos en 3 dimensiones interactúan con ondas electromagnéticas 14 veces mejor que sus equivalentes en 2D.

Mediante la impresión de numerosos cubos, cada uno adaptado a interactuar específicamente con una onda electromagnética de cierta manera, y combinarlos como bloques de construcción Lego, los investigadores pueden comenzar a construir nuevos dispositivos. Sin embargo, para que los dispositivos funcionen, las ondas electromagnéticas deben tener aproximadamente el mismo tamaño que los bloques individuales. Aunque esto elimina el espectro visible, el infrarrojo y los 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 podría mejorar el rendimiento», dijo Cummer.

«Creemos que esto podría cambiar la forma de producir prototipos para la industria de radiofrecuencia de la misma manera que las impresoras 3-D cambiaron los diseños de plástico», dijo Wiley.

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