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タフツ大学、新しい光学特性のメタマテリアルを3Dプリント

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May, 13, 2019, Medford/Somerville--タフツ大学(Tufts University)のエンジニアチームは、固有のマイクロ波、光学特性を持つ一連の3Dプリントメタマテリアルを開発した。
 これは、従来の光学材料、電子材料を用いて実現したものを上回る特性である。研究チームが開発した製法は、現在および未来の3Dプリンティングの可能性を実証している。つまり、新しい光学特性を持つデバイスに至る形状設計と複合材料の範囲を拡大すると考えられる。一例を挙げれば、研究チームは蛾の複眼からヒントを得て、半球デバイスを作製した。これは、所定の波長で、あらゆる方向からの電磁信号を吸収する。研究成果は、Microsystems & Nanoengineeringに掲載された。

メタマテリアルは、検出される、あるいは影響を受けるエネルギー波長よりも小さなスケールで反復するパタンに配列された形状特性を利用することで、従来のデバイス材料の機能を拡張する。3Dプリンティング技術の新たな開発により、メタマテリアルのより多くの形状とパタンの実現が可能になる。しかももっと小さなスケールで可能にしている。研究では、Nano Labで研究チームは、3Dプリンティング、金属被覆とエッチングを使うハイブリッド製造アプローチで、複雑な形状とマイクロ波域の斬新な機能を持つメタマテリアル作製を説明している。

例えば、研究チームはキノコ形状構造のアレイを作った。これは、各々が脚の頭に小さなパタンの金属共振器を持つ。この特殊な配列により特定周波数のマイクロ波が吸収される。これは「マッシュルーム」の選択した形状とその間隔に依存する。そのようなメタマテリアルの利用は、医療診断のセンサ、通信のアンテナ、イメージングアプリケーションのディテクタなどで役立つ。

研究チームが開発した他のデバイスには、パラボリックリフレクタがある。これは選択的に一定の周波数を吸収し送出する。そのようなコンセプトは反射とフィルタリングの機能を1ユニットに統合することで、光デバイスを簡素化できる。「メタマテリアルを使って機能を統合できることは、著しく有益である」と電気・コンピュータ工学教授、Sameer Sonkusaleは言う。「これらの材料を使って分光計や他の光学的計測デバイスのサイズを縮小することができるので、ポータブルフィールド研究向け設計が可能になる」。

下層基板の3D製造で光学的/電気的パタニングを統合する製品を、研究チームは、幾何光学内蔵メタマテリアル(MEGOs)と呼ぶ。パタンをつけられた3Dプリンティングの他の形状、サイズ、方向は、波を吸収、強化あるいは曲げるMEGOsになると考えられる。これらは従来の製法では達成が難しい。

3Dプリンティングに利用できる技術は多い。現在の研究はステレオリソグラフィを利用する。これは、光を集光して光硬化樹脂を重合化し、所望の形状にする。他の3D重合化技術、たとえは、2光子重合は、プリンティング解像度200nmにできる。これにより、もっと精巧なメタマテリアルを作ることができ、さらに小さな波長、恐らく可視光を含む波長の電磁信号を検出、操作できる。

「MEGOsの3Dプリンティングの全能力はまだ実現されていない。現在の技術を使ってわれわれができることは非常に多い。また、3Dプリンティングの大きな潜在性は必ず進化する」とAydin Sadeqiはコメントしている。