近日，美國塔夫茨大學的工程師團隊開發出一系列3D打印的超材料，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。1
增強對波的控制
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打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。
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。於醫療診斷傳感器、通信天線、成像探測器等應用都有著重要的價值。
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打印、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傳感器、通信天線、成像探測器等應用都有著重要的價值。
研究人員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。
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便攜式的現場研究。”
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打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，通過難以用傳統制造方法實現的途徑，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打印。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打印技術，例如雙光子聚合，可提供低至200納米的打印分辨率，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。1
3D科學谷Review
超材料是指材料的設計表現出不同尋常的特性，是具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。迄今發展出的“超材料”包括：”左手材料”、”光子晶體”、”超磁性材料”等。
國內在超材料方面也湧現出積極的研究，根據3D科學谷的市場研究，活躍的科研單位有東南大學，中國人民解放軍空軍工程大學，西安交通大學，北京交通大學等。
東南大學通過3D打印一種自相似的空間摺疊結構的分形聲學超材料，用於寬帶聲聚焦透鏡；
中國人民解放軍空軍工程大學開發了基於水或水溶液的超材料頻率選擇表面的設計方法，利用3D打印技術將低介電常數材料打印成特殊形狀，使其能對特定尺寸與特定形狀的水進行封裝；
西安交通大學使用液態光敏樹脂和固體微粒作為打印原料進行目標超材料實體進行3D打印，3D科學谷瞭解到其中液態光敏樹脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結構，最終形成固態光敏樹脂為基材幷包裹具有二維空間拓撲排序人造微結構的超材料；
北京交通大學通過3D打印技術製備太赫茲波導預製棒，按照波導立體結構逐片打印以形成太赫茲波導預製棒進而拉制成太赫茲波，簡化了製作工藝，降低了帶有銳角微結構複雜橫截面且縱向可變的太赫茲波導預製棒的製作成本，為後續拉制出具有優越傳輸性能的太赫茲波導，提供了很好的基礎。
【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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