پژوهشگران یک ماشین رسم اتوماتیک ابداع کرده اند که با استفاده از مداد و خودکار فرامواد را بر روی کاغذ منتقل میکند. ساخت سه فراماده با قابلیت کنترل بخش میکروویو طیف الکترومغناطیس نمونه ای از خروجی این روش پژوهش جدید است.

پژوهشگران روش جدیدی را برای رسم فرامواد روی کاغذ به کار برده اند. آنها از این روش برای ساخت سه نوع مختلف از فراماده که قادر به دستکاری ناحیه میکروویو طیف الکترومغناطیس است استفاده کردند.

فرامواد، مواد مرکب ایجاد شده به روش مصنوعی هستند که به جای مولفه های شیمیایی، میکرو ساختارهای پردازش شده شان ویژگی های آنها را تعیین میکند.

این ساختارها به دلیل شکل، هندسه، ابعاد، جهت و چیدمان دقیق خود می توانند به روش هایی که با مواد معمولی امکان پذیر نیست برای تغییر امواج الکترومغناطیس به کار گرفته شوند.

جانمینگ ژائو Junming Zhao ، سرپرست تیم تحقیقاتی از دانشگاه نانجینگ میگوید: " معمولا لازم است فرامواد، به ویژه آنهایی که به عنوان جاذب استفاده می شوند، نازک، سبک، عریض و محکم باشند، اما ساختن دستگاه های باریک و سبک با استفاده از زیرلایه های مرسوم آسان نیست. استفاده از کاغذ به عنوان زیرلایه می تواند این الزامات را برآورده کند در حالی که همچنان برای فراسطوحی است که با سطح سازگاری دارند و یا از نظر مکانیکی قابل بازآرایی هستند مناسب است."

این پژوهشگران در مجله Optical Materials Express درباره روش نوآورانه خود شرح می دهند که از مدادهای مکانیکی به منظور ساخت مقاومتها و پوشش های مقاومتی و از قلم خودکار نوک‌ساچمه‌ای با جوهر رسانا برای ایجاد رساناها استفاده کرده اند. آنها این روش را با ترکیب کردن آن در یک ماشین رسمِ قابل کنترل با کامپیوتر، مکانیزه کردند و بهبود بخشیدند.

ژائو می افزاید: "اگرچه فراموادِ بر پایه کاغذ، پیش از این با استفاده از فناوری چاپ جوهر افشان ساخته شده اند، روش رسم ما کم هزینه تر، ساده تر و انعطاف پذیرتر است. روش ما می تواند علاوه بر ساخت آنتن های قابل بازآرایی و فرا لنزها، برای ساخت دستگاه های فراموادی که انرژی الکترومغناطیس فرودی را از تلفن های همراه یا منابع دیگر جذب می کنند هم مفید باشد."

رسم اتوماتیک

دستگاه رسم نوآورانه، مدادهای مکانیکی با محتویات گرافیتی متغیر یا خودکارهای حاوی جوهر رسانا را مورد استفاده قرار می دهد.

سه موتور پله ای (stepper motor) به کار گرفته می شود؛ دو موتور برای حرکت دادن خودکار یا مداد در یک صفحه افقی استفاده می شود و سومی برای بالا بردن یا پایین آوردن ابزار نگارش در یک صفحه عمودی مورد استفاده قرار می گیرد. یک کامپیوتر مشخصه های ماشین رسم، از جمله سرعت حرکت را تنظیم میکند.

به گفته ژائو: "بعضی از کاغذهایی که ما امتحان کردیم زیاد با مدادها یا خودکارهای جوهر رسانا سازگار نبود که به رسانندگی ضعیف الگوهای رسم شده منجر میشد. بعد از چند بار امتحان کردن، بهترین عملکرد را یافتیم که حاصل استفاده از کاغذی با mm 0.22ضخامت بود که دستیابی به آن، آسان و با مدادها و جوهر رسانا بسیار سازگار است."

الگوهایی که پژوهشگران، روی کاغذ با خودکار جوهر رسانا رسم کردند رسانندگی خوبی به میزان 3×10⁶ زیمنس بر متر داشت. به منظور درک اینکه چه طور مدت زمان رسم، فشار در رسم و مدادها با مقادیر مختلف گرافیت روی مقاومت الکتریکی تاثیر می گذارند، پژوهشگران همچنین این متغیرها را مورد بررسی قرار دادند.

در نتیجه، آنها توانستند پیش نیازهایی را برای ایجاد الگوها با یک مقاومت ویژه تعیین کنند.

ایجاد فرامواد کاغذی

پژوهشگران با استفاده از روش رسم منحصر به فرد خود سه فراماده متمایز بر پایه کاغذ ایجاد کردند: یک مبدل قطبش، یک جاذب و یک فراسطح کدگذاری همدیس. آنها نشان دادند که مبدل قطبش میتواند قطبش خطی را بین 3.1و 6.6 گیگاهرتز به اندازه 90° بچرخاند و بازدهی تبدیل بیش از 90%است.

جاذبی که ایجاد شد فقط 58.3 gm وزن و 90% ظرفیت جذب بین 2.1 GHz و 10.5 GHz داشت.

یک فراسطح کدگذاری همدیس هم برای کاهش سطح مقطع رادار توسعه داده شد؛ روشی برای پنهان کردن سیگنال رادار در کشتی ها و هواپیمای به کار گرفته شده در ارتش.

این فراسطح شامل دو جزء سازنده است که از نظر فاز بازتاب 180° اختلاف فاز دارند و به آنها اجازه می دهد به عنوان عناصر “0” و “1” برای رمزگذاری 1-bit به کار بروند. در هنگام پیچیده شدن به دور یک سطح خمیده، این فراماده سطح مقطع رادار را برای بازه فرکانسی 8.94 GHz تا 11.59 GHz تا 10 dB کاهش داد.

جانمینگ ژائو، سرپرست گروه تحقیقاتی از دانشگاه نانجینگ می گوید: "ما امیدواریم که در آینده بتوانیم از این فناوریِ رسم به منظور طراحی و ساخت فرادستگاه هایی که بتوان به پوست انتقال داده و یا روی آن به کار گرفته شوند، برای دستیابی به حفاظت الکترومغناطیسی و دیگر کارکردها استفاده کنیم. ما همچنین قصد داریم فراموادِ قابل بازآرایی از نظر مکانیکی طراحی کنیم که قابلیت آن را داشته باشند که کاغذ بتواند خمیده و تا شود."

جزئیات این پژوهش در مقاله زیر منتشر شده است:

Zhu, K., et al. (2022) Directly drawing metamaterials on paper based on an automatic drawing machine. Optical Materials Express. doi:10.1364/OME.472866.

منبع:

Making Paper-Based Metamaterials Using Automatic Drawing Machine

ترجمه خبر: بهناز ساربانها