3D列印的超材料：具有新穎的光學特性！
導讀
近日，美國塔夫茨大學的工程師團隊開發出一系列3D列印的超材料，這些超材料具有獨特的微波或者光學特性。
背景
超材料（metamaterial），通常是指通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料。舉例來說，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，使它們改變通常的性質，這樣的效果是普通材料所無法實現的。超材料的奇特性質來源於獨特的結構和尺寸。它通常具有以重複圖案排列的幾何特徵，這些微結構的尺寸小於可被檢測或影響的能量波長。
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超材料的近距離照片（圖片來源：Timothy Sleasman）
典型的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水等，它們時常表現出「超常」的物理特性，例如負磁導率、負介電常數、負折射率等。
負折射率圖解（圖片來源：維基百科）
如今，超材料已經成為一項非常熱門且應用範圍極廣的前沿技術。超材料的應用領域包括光纖、醫療設備、航空航天、感測器、基礎設施監控、智能太陽能管理、雷達罩、雷達天線、聲學隱身技術、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術等。
由超材料製成的「超薄皮膚隱形斗篷」（圖片來源：伯克利實驗室）
由超材料製成的無需半導體的微電子設備（圖片來源：加州大學聖地亞哥分校應用電磁學小組）
由超材料製成的可利用廢熱的紅外線發射器（圖片來源：參考資料【2】）
具有十字形開口的超材料可改變太赫茲光束的角度。(圖片來源：加州大學洛杉磯分校 )
由超材料組成的超透鏡，將使未來攝像頭和眼鏡將更輕薄。（圖片來源：哥倫比亞大學）
3D列印技術，是快速成型技術的一種。它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體。
具有3D列印功能的蜘蛛機器人（圖片來源：西門子）
3D列印的物體（圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學）
然而，3D列印技術的新進展，使得在更小的尺度上創造更多的超材料形狀和圖案變得可能。
創新
近日，美國塔夫茨大學（Tufts University）的工程師團隊開發出一系列3D列印的超材料。這些超材料具有獨特的微波或者光學特性，這些特性超越了傳統的光學或電子材料所能實現的。
製造流程示意圖（圖片來源：參考資料【3】）
無論是現在還是未來，研究人員們開發出的製造方法都表明，3D列印技術有望拓展幾何設計與複合材料的範圍，帶來具有新穎光學特性的設備。在一個案例中，研究人員們從飛蛾複眼中汲取靈感，創造出一種半球狀設備，能以選定波長從任何方向上吸收電磁信號。
（圖片來源：Hojat Nejad）
複眼MEGO吸收器（圖片來源：參考資料【3】）
這項研究於4月8日發表在由 Springer Nature 出版的《微系統和納米工程（Microsystems & Nanoengineering）》期刊上。
技術
在這項研究中，塔夫茨大學納米實驗室的研究人員們描述了一種採用3D列印、金屬塗覆與蝕刻的混合製造方案，創造出波長處於微波範圍、具有複雜幾何結構和新穎功能的超材料。
例如，他們創造出微型蘑菇狀結構陣列，每一個結構在莖的頂部都具有一個小型圖案化的金屬諧振器。這種特殊的排列使得處於特定頻率的微波被吸收，這取決於所選「蘑菇」的幾何形狀和它們的間距。這種超材料的使用對於醫療診斷感測器、通信天線、成像探測器等應用都有著重要的價值。
圓柱蘑菇狀的MEGO（圖片來源：參考資料【3】）
這篇論文作者們開發出的其他設備包括拋物面反射器，它可以選擇性地吸收和傳輸特定的頻率。這樣的概念通過將反射和過濾功能結合成一體來簡化光學設備。
物面MEGO反射器的製造流程（圖片來源：參考資料【3】）
塔夫茨大學工學院電氣與計算機工程系教授、納米實驗室領頭人、這篇論文的通訊作者 Sameer Sonkusale 表示：「採用超材料合併功能的能力非常有用。我們可以採用這些材料減小光譜儀和其他光學測量設備的尺寸，使得它們能被設計用於攜帶型的現場研究。」
底層襯底的「3D製造工藝」結合「光學或電子的圖案化加工」所形成的產品，被論文作者們稱為「嵌入幾何光學的超材料（MEGO）」。3D列印技術創造出的其他形狀、尺寸和方向的圖案可用於MEGO的構思，通過難以用傳統製造方法實現的途徑，創造吸收、增強、反射或者彎曲各種波。
目前，一系列技術都可用於3D列印。目前的研究利用了立體光刻技術，它聚焦光線，將光固化的樹脂聚合成期望的形狀。其他的3D列印技術，例如雙光子聚合，可提供低至200納米的列印解析度，製造出更精細的超材料，這些超材料可檢測和操控波長更短的電磁波信號，甚至有望包括可見光。
價值
塔夫茨大學工程學院 Sankusale 實驗室的研究生、這篇論文的領導作者 Aydin Sadeqi 表示：「3D列印MEGO的潛力尚未被完全發掘出來。我們對於現有的技術還可以做很多事情，3D列印技術必將釋放出巨大的潛力。」
關鍵字
超材料、3D列印、複眼
參考資料
【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
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