美國(guó)塔夫斯大學(xué)（TuftsUniversity）的工程師們使用3D打印的超材料（metamaterial）來(lái)開(kāi)發(fā)新型的光學(xué)設(shè)備。

該研究發(fā)表在SpringerNature出版的《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems&Nanoengineering）期刊上，展示了利用立體光刻技術(shù)（SLA）創(chuàng)建超材料嵌入式幾何光學(xué)（MEGOs）的方法。這些3D打印的結(jié)構(gòu)能夠從所選波長(zhǎng)的任何方向吸收電磁信號(hào)。

“利用超材料整合功能的能力，對(duì)于減小光譜儀和其他光學(xué)測(cè)量設(shè)備的尺寸非常有用，因此它們可以設(shè)計(jì)用于便攜式現(xiàn)場(chǎng)研究，”塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授SameerSonkusale說(shuō)。

用于光學(xué)設(shè)備的3D打印超材料

此次3D打印的超材料結(jié)合了獨(dú)特的屬性，如電動(dòng)和聲波操作、光學(xué)特性，以及壓力引起的形狀轉(zhuǎn)換。這些材料可以在低至200納米的分辨率下制造，這使得它們足夠小以處理波長(zhǎng)的能量，因此可用于光學(xué)和醫(yī)療設(shè)備。

根據(jù)Tuft納米實(shí)驗(yàn)室的研究人員的說(shuō)法，雙光子聚合（TPP）和SLA等3D打印技術(shù)可以為制造更精細(xì)的超材料提供這樣的打印分辨率，這些超材料可以檢測(cè)和操縱包括可見(jiàn)光在內(nèi)的電磁信號(hào)。

因此，該團(tuán)隊(duì)使用FormlabsForm23D打印機(jī)，金屬涂層和蝕刻來(lái)制作具有復(fù)雜幾何形狀的超材料，用于微波范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，他們創(chuàng)建了一種半球形裝置，可以在選定波長(zhǎng)的任何方向吸收電磁信號(hào)。這種設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于飛蛾的復(fù)眼，它就是使用這種功能來(lái)檢測(cè)光線(xiàn)的。

MEGO結(jié)構(gòu)制造過(guò)程的示意圖。在3D打印之后，結(jié)構(gòu)涂覆有導(dǎo)電膏。

第二種方案是將濺射金屬放置在器件上，然后浸沒(méi)在蝕刻劑（腐蝕性化學(xué)品）中以除去襯底上的現(xiàn)有金屬。

作為增材制造的結(jié)果，可以設(shè)想各種形狀、尺寸和圖案取向以產(chǎn)生MEGO，其以比傳統(tǒng)制造方法改進(jìn)的方式吸收、增強(qiáng)、反射或彎曲。

“MEGO3D打印的全部潛力尚未實(shí)現(xiàn)，”塔夫斯大學(xué)工程學(xué)院Sankusale實(shí)驗(yàn)室研究生、該研究的主要作者AydinSadeqi補(bǔ)充道。“我們可以利用當(dāng)前的技術(shù)做更多的事情，并且3D打印一定會(huì)由此衍生出巨大的潛力。”

“利用金屬圖案嵌入的大面積3D電介質(zhì)打印技術(shù)，我們能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特功能的MEGO設(shè)備。”

研究人員認(rèn)為，提高3D打印的分辨率將使MEGO設(shè)備在不久的將來(lái)進(jìn)一步達(dá)到光學(xué)頻率的太赫茲波長(zhǎng)。

研究成果《超材料嵌入式幾何光學(xué)（MEGO）的3D打印》（Three-dimensionalprintingofmetamaterialembeddedgeometricaloptics(MEGO)）由AydinSadeqi、HojatollahRezaeiNejad、RachelE.Owyeung和SameerSonkusale共同撰寫(xiě)。

此方法中使用以下組件：

-蘑菇狀超材料

-彎曲的廣角超材料吸收器/反射器

-頻率選擇性蛾眼半球吸收器

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(shí)常表現(xiàn)出“超常”的物理特性，例如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)折射率等。

如今，超材料已經(jīng)成為一項(xiàng)非常熱門(mén)且應(yīng)用范圍極廣的前沿技術(shù)。超材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括光纖、醫(yī)療設(shè)備、特種航天、傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、智能太陽(yáng)能管理、特種罩、特種天線(xiàn)、聲學(xué)隱身技術(shù)、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術(shù)等。

無(wú)論是現(xiàn)在還是未來(lái)，研究人員們開(kāi)發(fā)出的制造方法都表明，3D打印技術(shù)有望拓展幾何設(shè)計(jì)與復(fù)合材料的范圍，帶來(lái)具有新穎光學(xué)特性的設(shè)備。