Метаматериалы - это искусственно сконструированные композитные материалы, которые черпают свои свойства из узорчатой микроструктуры, а не из химического состава самих материалов. Точная форма, геометрия, размер, ориентация и расположение структур могут быть использованы для манипулирования электромагнитными волнами способами, которые невозможны при использовании обычных материалов.

"Метаматериалы, особенно те, которые используются в качестве поглотителей, как правило, должны быть тонкими, легкими, широкими и прочными, но нелегко создавать тонкие и легкие устройства с использованием традиционных подложек", - сказал руководитель исследовательской группы Цзюньмин Чжао из Нанкинского университета в Китае. "Использование бумаги в качестве подложки может помочь удовлетворить эти требования, а также создать метаповерхности, которые соответствуют поверхности или которые механически перенастраиваются".

В журнале Оптические материалы Выражают Исследователи описывают свою новую технику, в которой используется шариковая ручка с проводящими чернилами для рисования проводников и механические карандаши для рисования резисторов и резистивных пленок. Они внедрили этот процесс в чертежную машину с компьютерным управлением, чтобы сделать его более автоматическим и точным.

"Хотя метаматериалы на бумажной основе ранее изготавливались с использованием технологии струйной печати, наша технология нанесения является более дешевой, простой и гибкой", - сказал Чжао. "Наш метод может быть полезен для изготовления реконфигурируемых антенн и металлических линз, а также устройств из метаматериалов, которые поглощают падающую электромагнитную энергию от мобильных телефонов или других источников".

Автоматическое рисование

В новой машине для рисования используются ручки с чернилами, содержащими токопроводящий материал, или обычные механические карандаши с различным содержанием графита. Он оснащен тремя шаговыми двигателями, два из которых управляют движением ручки или карандаша в горизонтальной плоскости, в то время как другой поднимает или опускает пишущий инструмент в вертикальной плоскости. Параметры волочильной машины, такие как скорость перемещения, контролируются компьютером.

"Часть бумаги, которую мы пробовали, была не очень совместима с карандашами или ручками с проводящими чернилами, что привело к плохой проводимости нарисованных узоров", - сказал Чжао. "После некоторого тестирования мы обнаружили, что наилучшая производительность достигается при использовании бумаги толщиной 22 мм, которую легко достать и которая очень совместима с карандашами и проводящими чернилами".

Исследователи использовали ручку с проводящими чернилами для рисования узоров на бумаге и обнаружили, что узоры обладают хорошей проводимостью 3 × 10⁶ Сименс на метр. Они также протестировали карандаши с различным количеством графита, временем рисования и давлением вытягивания, чтобы охарактеризовать, как эти факторы влияют на электрическое сопротивление. Это позволило им рассчитать условия, необходимые для нанесения узоров с определенным сопротивлением.

Создание бумажных метаматериалов

Используя свою новую технику рисования, исследователи разработали и изготовили три различных метаматериала на бумажной основе: преобразователь поляризации, поглотитель и конформную кодирующую метаповерхность. Они показали, что преобразователь поляризации может поворачивать линейную поляризацию на 90° с эффективностью преобразования более 90% от 3,1 до 6,6 ГГц. Изготовленный ими поглотитель имел массу всего 58,3 грамма и достиг 90% поглощающей способности в диапазоне от 2,1 ГГц до 10,5 ГГц.

Исследователи также создали метаповерхность конформного кодирования, которую можно было бы использовать для уменьшения поперечного сечения радара, который используется для скрытия радиолокационного сигнала в военных самолетах и кораблях. Эта метаповерхность имела два структурных блока с разницей фаз отражения 180° друг от друга, что позволяло им действовать как '0' и '1' элементы для 1-битного кодирования. При изгибе вокруг криволинейной поверхности эта метаповерхность обеспечивала уменьшение поперечного сечения радара на 10 дБ в диапазоне частот от 8,94 до 11,59 ГГц.

"Мы надеемся, что в будущем мы сможем использовать технологию рисования для проектирования и изготовления мета-устройств, которые можно было бы носить с собой или наносить на кожу для достижения электромагнитной защиты и других функций", - сказал Чжао. "Мы также планируем разработать механически перенастраиваемые метаматериалы, которые используют преимущества того факта, что бумагу можно сгибать".