有一种新的印刷方法,可以生产大片超材料,这是一种新型材料,根据设计,它与光相互作用的方式,是自然材料中没有的。几年来,研究人员一直在研究这种材料,并且有可能制成隐身斗篷、超高分辨率的超级透镜和其它奇异的光学设备,这些都直接来自科幻小说中的记载。但是,这些材料过去局限于小型实验室演示,因为没有办法制备出足够的数量来论证一种实用设备。
“每个人曾经,也许是方便地认为,无法制备足够的超材料来用它做任何事情,”约翰•罗杰斯(John Rogers)说,他是伊利诺大学乌巴马-香槟分校(the University of Illinois ,Urbana-Champaign)材料科学与工程教授,开发了这种新的印刷方法。超材料可与可见光相互作用,以前制成的小片都不大于几百微米。
超材料的制备是采用复杂光栅(intricately patterned)多层结构,一般是用金属。这些光栅必须是在同样的尺度,就像这种波长的光,它们就设计为与这种光相互作用。如果是可见光和近红外光(near-infrared light),这就意味着特征是在纳米尺度。研究者一直在制备这些材料,采用的就是这种耗时的方法,比如电子束光刻(lithography)。
罗杰斯已经开发出一种基于压印的印刷方法,以制备大型块件,是一种最有希望的超材料类型,能使近红外光弯曲,以“反常的”方式穿过。这些材料带有这种所谓的负折射率(negative index of refraction),特别有前途,可制作超级透镜、夜视隐身斗篷和复杂的电信波导。
伊利诺大学的研究小组开始是浇铸一个硬朔料印模,印模表面有一层凸网图案。接着把印模放入蒸发室,镀上一层牺牲层(sacrificial layer),然后是交错各层超材料成分,就是银和氟化镁(magnesium fluoride),在印模上形成一层筛孔。然后,印模被放在玻璃或者柔软的塑料上,牺牲层被刻蚀掉,把有图案的金属转移到表面。迄今为止,罗杰斯说,他已经制成的超材料片只有几英寸的边长,但是,使用多个印模,他期望把尺寸增加到平方英尺。同时,他说,压印材料实际上具有更好的光学性能,胜过传统方法制备的超材料。
“现在,我们能够快速生产大片的这种材料”,罗杰斯说。制作印模的模具时要小心,但是,一旦模具制作出来,不需要多长时间,就可制成许多可重复使用的印模。
张翔(Xiang Zhang)是加州大学伯克利分校(the University of California ,Berkeley)机械工程主任,他说,这项工作代表着重要的一步,将应用于光学超材料。“各种各样的超材料都可以做得更大,就是因为这种方法,”张翔说,他于2008年创作的设计,罗杰斯就用来进行这次首次演示。“例如,宏观尺度的2维透镜和斗篷也许可以,也许太阳能聚光器(solar concentrators)也行。”有一个潜在的应用,就是透镜集成多种功能,用单一设备进行通信和成像。
“这种印刷技术有相当大的影响,有潜力升级到非常大的面积,”尼古拉斯•方(Nicholas Fang)说,他是麻省理工学院(MIT)机械工程副教授。尼古拉斯•方说,这种类型超材料对于红外成像设备尤其有意义。
实用方式制作隐身斗篷
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