Многие современные технологии не были бы возможны, если бы в свое время кто-то не открыл материал или вещество, ставшие основой будущей разработки. Когда появляется необходимость изменить свойства и функционал какого-то устройства, можно пересмотреть его составляющие детали, что-то заменить, что-то добавить. Альтернативой этому может быть использование метаматериалов, свойства которых зависят не от их состава, а от заданной человеком структуры. Такие материалы обладают огромным потенциалом, а потому активно изучаются. И вот ученые из нескольких университетов Китая объединили усилия и создали новый метод изготовления метаматериалов, основанный на обычном рисовании необычными ручками и карандашами. В чем секрет этого метода, в чем необычность использованной канцелярии, и что удалось получить в результате? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Метаматериалами (ММ) называют искусственно созданные композиционные материалы, свойства которых зависят не от свойств составляющих элементов, а от структуры. Другими словами, важен не состав, а форма. Метаматериалы обладают множеством необычных электромагнитных (ЭМ) свойств, ввиду своей настраиваемости, благодаря которой можно настроить материал таким образом, чтобы получить физические характеристики, недоступные в естественных материалах.
За последние десятилетия научное сообщество достигло внушительных успехов в сфере изучения и разработки новых метаматериалов, которые в последствии нашли свое применение в самых разных областях, от преобразования поляризации до металинз. Также были созданы метаматериалы, которые используют в качестве подложки бумагу вместо диэлектрической платы. Благодаря бумаге такой материал может быть очень легкий, тонкий и гибкий. Если же учесть отсутствие химических процессов во время изготовления бумажных ММ, то это положительно сказывается и на стоимости, и на экологичности исходного продукта.
Одним из самых распространенных методов изготовления ММ на основе бумаги является струйная печать, когда струйный принтер наносит крошечные капли специальных чернил на определенные точки подложки, формируя тем самым желаемую структуру материала. Этот метод обладает высокой точностью, но и высокой стоимостью.
Изображение №1
Более простой (и более дешевой) альтернативой струйной печати может быть обычное рисование. Именно это и решили протестировать авторы исследования. Для автоматизации процесса рисования ММ ученые использовали чертежную машину, управляемую компьютером, которая направляет ручку или карандаш, рисующие необходимую структуру. В ходе исследования ученые создали три типа метаматериалов на бумажной основе с помощью рисования: преобразователь поляризации, поглотитель и конформную кодирующую метаповерхность (изображение №1).
Процесс рисования ММ
Как уже было сказано ранее, бумага позволяет создавать тонкие, легкие и гибкие метаматериалы. Для данного исследования была выбрана бумага толщиной 0.22 мм с относительной диэлектрической проницаемостью в 2.3. Это самая обычная, коммерчески доступная бумага.
ММ обычно состоят из диэлектрической подложки и металлических резонансных структур. Для рисования металлических конструкций на бумажной основе используется ручка с проводящими чернилами, которые обладают хорошей проводимостью и легко могут наноситься на бумагу. Ученые использовали такую ручку и нарисовали несколько прямоугольников, а затем измерили их размер и электропроводность. Результаты измерений показали, что проводимость токопроводящих чернил, нанесенных на бумагу, составляет около 3х106 См/м.
Для поглотителей ММ обычно необходимо использовать резисторы или резистивные пленки для получения омических потерь, особенно когда диэлектрическая подложка тонкая. Проведя серию испытаний, ученые выбрали обычный карандаш для рисования резисторов и резистивных пленок. Суть в том, что грифель карандаша имеет определенную проводимость и хорошо работает с металлическими структурами, нарисованными токопроводящими чернилами. Однако, традиционные карандаши не подходят для рисования резисторов, потому что радиус грифеля карандаша слишком велик для рисования мелких деталей, а наконечник деформируется в процессе рисования. Потому было решено использовать механический карандаш с диаметром стержня 0.5 мм.
Основными компонентами грифеля карандаша являются графит и глина, а графит обладает определенной проводимостью. Различные типы грифелей имеют разное соотношение графита и глины. Таким образом, они имеют разную проводимость.
Изображение №2
Ученые отмечают, что рисование ММ на бумаге — тонкий процесс, требующий высокой точности геометрии и давления. Рисование от руки не даст нужной точности и потребует уйму времени и усилий. Потому использовалась чертежная машина, управляемая компьютером (2a). У данной машины имеется три шаговых двигателя, обеспечивающий три свободы движения пера (карандаш или ручка), установленного в чертежную машину. Два шаговых двигателя обеспечивают перемещение пера в горизонтальной плоскости, а третий двигатель управляет вертикальным движением.
В компьютер загружается желаемая схема будущего ММ, после чего он передает команду на чертежную машину, которая точно и быстро рисует то, что требуется. После завершения рисования необходимо высушить полученные ММ, для чего изделие помещается в сушильный шкаф с температурой 150 °C на 1-2 часа. Полностью высохшие чернила достигают своего максимума в аспекте электропроводности.
Нанесение резистивных пленок с высокой точностью удельного поверхностного сопротивления на бумагу является еще более сложной задачей. На удельное сопротивление резистивных пленок, нарисованных карандашом, будут влиять многие факторы, такие как текстура бумаги, соотношение содержания графита в стержне карандаша, плотность траектории рисования и давление, оказываемое на карандаш в процессе. Также необходимо учитывать и размер резисторов.
Давление, оказываемое на карандаш, повлияет на плотность следов карандаша, нанесенных на бумагу, что повлияет на сопротивление рисунка. Дабы определить соотношение давления и сопротивления, ученые нарисовали несколько квадратов, используя один и тот же механический карандаш, одну и ту же бумагу и одну и ту же траекторию рисования, но под разным давлением.
Результаты (2b) показали, что существует обратная зависимость между давлением и сопротивлением. Также необходимо учитывать другие факторы, такие как плотность траектории и скорость рисования. Кроме того, необходимо учесть и длину/ширину резисторов. Согласно основной теории электроники, длина резистора пропорциональна сопротивлению, а ширина обратно пропорциональна сопротивлению. Следовательно, сопротивление можно регулировать, настраивая длину и ширину резистора. Однако на практике рисовать большие резисторы не получается, так как конструкция ММ ограничивает размер резистора. Слишком мелкие резисторы также не получится рисовать из-за производственной ошибки, которая в некоторой степени неизбежна в процессе рисования.
Для защиты готового ММ от воздействия внешних факторов и для повышения его долговечности ученые решили использовать ПЭТ пленки толщиной 0.065 мм с относительной диэлектрической проницаемостью в 3.5.
Бумажный преобразователь поляризации
Изображение №3
На 3a и 3b показана элементарная ячейка бумажного преобразователя поляризации. Это преобразователь линейной поляризации, состоящий из трех структурных слоев. Первый и третий слои состоят соответственно из двух взаимно перпендикулярных металлических решеток. Средний слой состоит из одной металлической полосы, ориентированной под углом 45°. Между каждыми двумя соседними слоями находится пенопластовая. В этой структуре верхний слой эквивалентен фильтру x-поляризации, где волны y-поляризации проходят сквозь него, а волны x-поляризации блокируются. А нижний слой, наоборот, является эквивалентом y-поляризованному фильтру.
Элементарная ячейка имеет период p = 25 мм, а другие физические параметры оптимизированы следующим образом: h1 = 3 мм, h2 = 3 мм, g1 = 9.25 мм, g2 = 9 мм, w = 6 мм и l = 26.6 мм. Вся конструкция (300х300 мм) состоит из 12×12 массива элементарных ячеек.
По результатам полноволнового моделирования (3c) видно, что ячейка может преобразовывать падающую волну в кросс-поляризованную проходящую волну от 3.1 ГГц до 7.1 ГГц с эффективностью преобразования более 90%.
Для проверки конструкции на практике был изготовлен образец, следуя вышеописанным этапам (рисование, сушка и совмещение слоев).
Изображение №4
На 4a-4d показаны все слои конструкции преобразователя поляризации. Результаты измерений кросс-поляризованной передачи при нормальном падении показаны на 4e. Из графика видно, что результаты эксперимента и моделирования отлично согласуются. Опытный образец способен поворачивать линейную поляризацию на 90° с эффективностью преобразования более 90% в диапазоне от 3.1 до 6.6 ГГц. Дополнительно были исследованы характеристики преобразователя при наклонном падении (изображение №5). Результаты показали, что преобразователь поляризации демонстрирует относительно стабильную работу при наклонном падении до 30°.
Изображение №5
Бумажный поглотитель
Метаматериальный поглотитель (ММА от metamaterial absorber) является одной из важнейших ветвей ММ, у которой весьма широкий спектр применения. Ширина полосы поглощения часто является критическим показателем эффективности поглотителей. В последние годы большое внимание получили разработки широкополосных поглотителей. Однако эти конструкции не только тяжелые, но и требуют сложных процессов изготовления. Если же изготавливать MMA на основе бумаги с помощью рисования, то эти недостатки можно нивелировать.
Изображение №6
Предлагаемый поглотитель на бумажной основе представляет собой широкополосный поглотитель, состоящий из двух структурных слоев, содержащих нарисованные на бумаге двумерные периодические массивы квадратных петель. Выше показана геометрия элементарной ячейки поглотителя, состоящая из двух структурных слоев, двух пенопластовых плит и металлической объединительной панели из фольги. Верхний слой состоит из одинарных квадратных петель (SSL от single-square-loop), а нижний — из двойных (DSL от double-square-loop). Каждый квадрат нарисован ручкой с проводящими чернилами, а в центре плеча квадрата механическим карандашом нарисован резистор.
Используя программу оптимизации MATLAB, удалось оптимизировать поглотитель для достижения максимальной ширины полосы поглощения в -10 дБ. Окончательные размеры элементарной ячейки поглотителя на бумажной основе были следующие: p = 30.0 мм, d1 = 29.0 мм, d2 = 15.0 мм, d3 = 25.0 мм, w1 = 1.8 мм, w2 = 1.2 мм, w3 = 0.6 мм, R1 = 250 Ом, R2 = 300 Ом, R3 = 450 Ом, h1 = 10 мм и h2 = 10 мм. Габариты конструкции поглотителя, как и конструкции преобразователя поляризации, составили 300х300 мм, а состояла она из массива ячеек 10х10.
Изображение №7
Изготовление опытного образца происходило в четыре этапа: рисование квадратов на чертежной машине, сушка, рисование карандашом резисторов и сборка всех слоев воедино (7a и 7b).
Результаты моделирования и опытов по оценке отражательной способности при нормальном падении (7c) показали, что образец достигает коэффициента поглощения 90% в диапазоне частот от 2.1 ГГц до 10.5 ГГц, в то время как общая масса поглотителя составляет всего 58.3 г.
Бумажная конформная кодирующая метаповерхность
Ученые отмечают, что на сегодняшний день существует два подхода к уменьшению эффективной площади рассеяния (RCS от radar cross section). Один подход заключается в разработке MMA, а другой основан на механизме отмены фаз. Недавно было предложено использовать метаповерхности, сочетающие механизмы поглощения и компенсации фазы, для дальнейшего расширения диапазона снижения RCS. Кроме того, гибкая метаповерхность востребована во многих микроволновых приложениях (радары, антенны, самолеты и т. д.). Метаматериал на бумажной основе по своей природе гибкий, что делает его идеальным кандидатом на эту роль.
Изображение №8
Выше показана элементарная ячейка предлагаемой кодирующей метаповерхности на бумажной основе, которая состоит из двух структурных слоев и металлической заземляющей пластины. Верхний слой состоит из разъемного резонансного кольца С-образной формы, нарисованного ручкой. Отраженную фазу падающей волны можно настроить, вращая ориентацию С-образных колец. Таким образом, можем использовать две разные элементарные ячейки, которые имеют разность фаз отражения в 180°, как элементы «0» и «1» соответственно в 1-битном кодировании. Исходя из этого, ЭМ диффузия может быть реализована посредством схемы случайного распределения фаз.
Другой слой состоит из резистивных квадратных петель, нарисованных карандашом. Он может поглощать падающую волну, преобразовывая ее в омические потери. Механизмы компенсации фазы и поглощения соответственно играют решающую роль в двух разных частотных диапазонах.
С помощью MATLAB была выполнена оптимизация элементарной ячейки, в результате чего ее размеры составили: p = 20 мм, p2 = 10 мм, w = 2.3 мм, r = 8.4 мм, θ = 116°, l = 7.8 мм, s = 4.1 мм, h1 = 4 мм, h2 = 4 мм. А поверхностное сопротивление квадратных петель было равно 550 Ом/кв.
Изображение №9
Для исследования характеристик отражения элементарной ячейки было проведено численное моделирование. На 9a показаны моделируемые величины отражения элементарной ячейки при нормальном падении с поляризацией x и y. Для лучшего понимания механизма элементарной ячейки был выполнен расчет доли поглощенной энергии при нормальном падении от ее сополяризованных и кросс-поляризованных компонентов (9b). Из графика видно, что по мере увеличения частоты больше энергии поглощается резистивными прямоугольными петлями. Фазы отражения кросс-поляризации элементов «0» и «1» и их различие показаны на графике 9c. Было установлено, что разность фаз отражения этих двух элементов всегда остается равной 180°.
Изображение №10
Конструкция метаповерхности составляла 800х480 мм, а доли «0» и «1» были распределены поровну. Чтобы проверить работу конструкции по снижению RCS на криволинейной поверхности, метаповерхность нанесли на цилиндр высокой 480 мм и радиусом 127 мм (10a).
На графике 10b показана смоделированная RCS голого и покрытого метаповерхностью цилиндра при y-поляризованном нормальном падении. Сравнение показателей указывает на то, что метаповерхность может обеспечивать снижение RCS на 10 дБ в диапазоне частот от 8.94 до 11.59 ГГц.
Изображение №11
Далее ученые провели дополнительное исследование трехмерных картин рассеяния метаповерхности и металлического цилиндра на частотах 9, 10 и 11 ГГц (11a-11d). Трехмерные картины рассеяния более наглядно показывают, как рассеянная энергия металлического цилиндра и конформной метаповерхности соответственно распределяется в обратном пространстве.
На 11d электромагнитные волны отражаются в плоскости xoz только в случае голого металлического цилиндра. Однако на 11а–11c видно, что отраженные электромагнитные волны перераспределяются во всем обратном пространстве и рассеиваются не только по оси x, но и по оси y, что сильно отличается от металлического цилиндра. Следовательно, энергия обратного рассеяния явно уменьшается при использовании конформной метаповерхности.
Также ученые изучили двумерные картины рассеяния в плоскостях xoz и yoz на частотах 9, 10 и 11 ГГц для количественной оценки характеристик конформной метаповерхности (11e–11j). Анализ показал, что в плоскости xoz рассеянная энергия цилиндра, покрытого метаповерхностью, значительно меньше энергии рассеяния металлического цилиндра на всех углах. Это связано с тем, что при использовании метаповерхности энергия не только поглощается, но и рассеивается вдоль оси y, в то время как рассеянная энергия металлического цилиндра в основном сосредоточена в плоскости xoz и остается неизменной при всех углах.
На 11h–11j основной лепесток цилиндра с метаповерхностью подавлен по сравнению с металлическим цилиндром, а его энергия больше, чем у металлического цилиндра под другими углами. Эти результаты показывают, что электромагнитные волны распространяются в основном вдоль оси y.
Изображение №12
Далее был изготовлен оптовый образец. Сам процесс изготовления совмещал в себе этапы, присутствующие в ходе изготовления вышеописанных конструкций. Так верхний слой изготавливался аналогично преобразователю поляризации, а второй слой — аналогично поглотителю. Затем слои наносились на металлический цилиндр (12a).
Измерение RCS характеристик проводилось в безэховой камере для исключения влияния внешней среды, а для передачи и приема электромагнитного сигнала использовались две линейно поляризованные рупорные антенны (12b).
Изображение №13
Графики выше описывают результаты измерения RCS голого цилиндра и цилиндра, покрытого метаповерхностью. Как и в моделировании, тут наблюдается уменьшение RCS на 10 дБ в диапазоне от 9.03 ГГц до 11.97 ГГц.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали новую методику создания метаматериалов на основе бумаги, используя при этом рисование. Ручки, содержащие токопроводящие чернила, использовались для рисования проводников, а механические карандаши — для резисторов. Автоматизация процесса была осуществлена с помощью обычной чертежной машины, подключенной к компьютеру, на который загружалась желаемая схема будущего изделия.
В результате ученым удалось создать три вариации метаматериалов: преобразователь поляризации, поглотитель и конформную кодирующую метаповерхность. В ходе моделирования все три конструкции обладали отличными характеристиками, но и опытные образцы не пасли задних, показав не только эффективность, но и точность исследуемого метода.
Рисование на бумаге, как основа процесса изготовления метаматериалов, является простой, надежной, точной и дешевой альтернативой используемых на данный момент методов. А применение бумаги в качестве подложки обеспечивает легкость и гибкость будущего изделия, что немаловажно во многих областях применения метаматериалов.
В будущем у авторов разработки грандиозные планы. Используя результаты вышеописанного труда, они хотят создать метаустройства, которые можно носить с собой или наносить на кожу для обеспечения электромагнитного экранирования и других функций. Кроме того, они хотели бы создать механически реконфигурируемые метаматериалы, учитывая гибкость используемой бумаги.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
