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Pesquisadores desenvolveram uma máquina de desenho automática que usa canetas e lápis para desenhar metamateriais no papel. Eles demonstraram a nova abordagem usando-a para fazer três metamateriais que podem ser usados para manipular a região de micro-ondas do espectro eletromagnético.
Metamateriais são materiais compósitos de engenharia artificial que derivam suas propriedades de microestruturas padronizadas, em vez da composição química dos próprios materiais. A forma exata, geometria, tamanho, orientação e disposição das estruturas podem ser usadas para manipular as ondas eletromagnéticas de maneiras que não são possíveis com materiais convencionais.
“Os metamateriais, especialmente aqueles usados como absorventes, geralmente precisam ser finos, leves, largos e fortes, mas não é fácil criar dispositivos finos e leves usando substratos tradicionais”, disse o líder da equipe de pesquisa Junming Zhao, da Universidade de Nanjing, na China. “Usar papel como substrato pode ajudar a atender a esses requisitos, ao mesmo tempo em que se presta a metasuperfícies que se adaptam a uma superfície ou que são mecanicamente reconfiguráveis”.
No jornal Materiais Ópticos Expresso, os pesquisadores descrevem sua nova técnica, que usa uma caneta esferográfica com tinta condutora para desenhar condutores e lapiseiras para desenhar resistores e filmes resistivos. Eles incorporaram esse processo em uma máquina de desenho controlada por computador para torná-lo mais automático e preciso.
“Embora metamateriais baseados em papel tenham sido feitos anteriormente usando tecnologia de impressão a jato de tinta, nossa técnica de desenho é de menor custo, mais simples e mais flexível”, disse Zhao. “Nosso método pode ser útil para fazer antenas e metalenses reconfiguráveis, bem como dispositivos metamateriais que absorvam a energia eletromagnética incidente de telefones celulares ou outras fontes.”
Desenho automatizado
A nova máquina de desenho utiliza canetas com tinta contendo material condutor ou lapiseiras normais com teor variável de grafite. Possui três motores de passo, dois dos quais controlam o movimento da caneta ou lápis no plano horizontal, enquanto o outro levanta ou solta o instrumento de escrita no plano vertical. Os parâmetros da máquina de desenho, como a velocidade de movimento, são controlados por um computador.
“Alguns dos papéis que testamos não eram muito compatíveis com os lápis ou canetas de tinta condutora, resultando em baixa condutividade dos padrões desenhados”, disse Zhao. “Após alguns testes, descobrimos que o melhor desempenho veio do uso de papel com 0,22 mm de espessura, que é fácil de obter e muito compatível com os lápis e tinta condutora.”
Os pesquisadores usaram a caneta de tinta condutora para desenhar padrões no papel e descobriram que os padrões tinham uma boa condutividade de 3 × 106 Siemens por metro. Eles também testaram lápis com várias quantidades de grafite, tempos de desenho e pressões de desenho para caracterizar como esses fatores afetaram a resistência elétrica. Isso permitiu que eles calculassem as condições necessárias para desenhar padrões com uma resistência específica.
Criação de metamateriais de papel
Usando sua nova técnica de desenho, os pesquisadores projetaram e fabricaram três metamateriais baseados em papel diferentes: um conversor de polarização, um absorvedor e uma metasuperfície de codificação conforme. Eles mostraram que o conversor de polarização pode girar a polarização linear em 90° com uma eficiência de conversão superior a 90% de 3,1 a 6,6 GHz. O absorvedor que eles fabricaram tinha uma massa de apenas 58,3 gramas e alcançou 90% de absortividade entre 2,1 GHz a 10,5 GHz.
Os pesquisadores também criaram uma metasuperfície de codificação conformal que pode ser usada para redução da seção transversal do radar, que é usada para ocultar o sinal do radar em aeronaves e navios militares. Esta metasuperfície tinha duas unidades estruturais com uma diferença de fase de reflexão de 180° entre si, o que lhes permitia atuar como ‘0′ e ‘1′ elementos para codificação de 1 bit. Quando dobrada em torno de uma superfície curva, essa metasuperfície alcançou uma redução de 10 dB na seção transversal do radar em uma banda de frequência de 8,94 a 11,59 GHz.
“Esperamos que, no futuro, possamos usar a tecnologia de desenho para projetar e fabricar metadispositivos que possam ser transportados ou aplicados à pele para obter proteção eletromagnética e outras funções”, disse Zhao. “Também planejamos projetar metamateriais mecanicamente reconfiguráveis que aproveitem o fato de que o papel pode ser dobrado e dobrado”.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Óptica. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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