美国塔夫茨大学开发出3D打印的超材料！

　　导读
　　近日，美国塔夫茨大学的工程师团队开发出一系列3D打印的超材料，这些超材料具有独特的微波或者光学特性。
　　背景
　　超材料（metamaterial），通常是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说，超材料可以操控光波、声波、电磁波等，使它们改变通常的性质，这样的效果是普通材料所无法实现的。超材料的奇特性质来源于独特的结构和尺寸。它通常具有以重复图案排列的几何特征，这些微结构的尺寸小于可被检测或影响的能量波长。
　　超材料的近距离照片（图片来源：Timothy Sleasman）
　　典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等，它们时常表现出＂超常＂的物理特性，例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。
　　负折射率图解（图片来源：维基百科）
　　如今，超材料已经成为一项非常热门且应用范围极广的前沿技术。超材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。
　　由超材料制成的＂超薄皮肤隐形斗篷＂（图片来源：伯克利实验室）
　　由超材料制成的无需半导体的微电子设备（图片来源：加州大学圣地亚哥分校应用电磁学小组）
　　由超材料制成的可利用废热的红外线发射器（图片来源：参考资料【2】）
　　具有十字形开口的超材料可改变太赫兹光束的角度。(图片来源：加州大学洛杉矶分校 )
　　由超材料组成的超透镜，将使未来摄像头和眼镜将更轻薄。（图片来源：哥伦比亚大学）
　　3D打印技术，是快速成型技术的一种。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。
　　具有3D打印功能的蜘蛛机器人（图片来源：西门子）
　　3D打印的物体（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）
　　然而，3D打印技术的新进展，使得在更小的尺度上创造更多的超材料形状和图案变得可能。
　　创新
　　近日，美国塔夫茨大学（Tufts University）的工程师团队开发出一系列3D打印的超材料。这些超材料具有独特的微波或者光学特性，这些特性超越了传统的光学或电子材料所能实现的。
　　制造流程示意图（图片来源：参考资料【3】）
　　无论是现在还是未来，研究人员们开发出的制造方法都表明，3D打印技术有望拓展几何设计与复合材料的范围，带来具有新颖光学特性的设备。在一个案例中，研究人员们从飞蛾复眼中汲取灵感，创造出一种半球状设备，能以选定波长从任何方向上吸收电磁信号。
　　（图片来源：Hojat Nejad）
　　复眼MEGO吸收器（图片来源：参考资料【3】）
　　这项研究于4月8日发表在由 Springer Nature 出版的《微系统和纳米工程（Microsystems & Nanoengineering）》期刊上。
　　技术
　　在这项研究中，塔夫茨大学纳米实验室的研究人员们描述了一种采用3D打印、金属涂覆与蚀刻的混合制造方案，创造出波长处于微波范围、具有复杂几何结构和新颖功能的超材料。
　　例如，他们创造出微型蘑菇状结构阵列，每一个结构在茎的顶部都具有一个小型图案化的金属谐振器。这种特殊的排列使得处于特定频率的微波被吸收，这取决于所选＂蘑菇＂的几何形状和它们的间距。这种超材料的使用对于医疗诊断传感器、通信天线、成像探测器等应用都有着重要的价值。
　　圆柱蘑菇状的MEGO（图片来源：参考资料【3】）
　　这篇论文作者们开发出的其他设备包括抛物面反射器，它可以选择性地吸收和传输特定的频率。这样的概念通过将反射和过滤功能结合成一体来简化光学设备。
　　物面MEGO反射器的制造流程（图片来源：参考资料【3】）
　　塔夫茨大学工学院电气与计算机工程系教授、纳米实验室领头人、这篇论文的通讯作者 Sameer Sonkusale 表示：＂采用超材料合并功能的能力非常有用。我们可以采用这些材料减小光谱仪和其他光学测量设备的尺寸，使得它们能被设计用于便携式的现场研究。＂
　　底层衬底的＂3D制造工艺＂结合＂光学或电子的图案化加工＂所形成的产品，被论文作者们称为＂嵌入几何光学的超材料（MEGO）＂。3D打印技术创造出的其他形状、尺寸和方向的图案可用于MEGO的构思，通过难以用传统制造方法实现的途径，创造吸收、增强、反射或者弯曲各种波。
　　目前，一系列技术都可用于3D打印。目前的研究利用了立体光刻技术，它聚焦光线，将光固化的树脂聚合成期望的形状。其他的3D打印技术，例如双光子聚合，可提供低至200纳米的打印分辨率，制造出更精细的超材料，这些超材料可检测和操控波长更短的电磁波信号，甚至有望包括可见光。
　　价值
　　塔夫茨大学工程学院 Sankusale 实验室的研究生、这篇论文的领导作者 Aydin Sadeqi 表示：＂3D打印MEGO的潜力尚未被完全发掘出来。我们对于现有的技术还可以做很多事情，3D打印技术必将释放出巨大的潜力。＂
　　关键字
　　超材料、3D打印、复眼
　　参考资料
　　【1】https://now.tufts.edu/news-releases/researchers-3d-print-metamaterials-novel-optical-properties
　　【2】X. Liu, W.J. Padilla, ＂Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,＂ Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.000430
　　【3】Sadeqi, A., Nejad, H.R., Owyeung, R.E., Sonkusale, S., ＂Three-dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics,＂ Microsystems & Nanoengineering, (April 8, 2019). DOI: 10.1038/s41378-019-0053-6