Des chercheurs développent une machine à dessiner automatique pour la fabrication de métamatériaux à base de papier : une nouvelle approche crée des métamatériaux légers, minces et flexibles

Les métamatériaux sont des matériaux composites artificiels qui tirent leurs propriétés de microstructures à motifs, plutôt que de la composition chimique des matériaux eux-mêmes. La forme exacte, la géométrie, la taille, l’orientation et la disposition des structures peuvent être utilisées pour manipuler les ondes électromagnétiques d’une manière qui n’est pas possible avec les matériaux conventionnels.

“Les métamatériaux, en particulier ceux utilisés comme absorbeurs, doivent généralement être minces, légers, larges et solides, mais il n’est pas facile de créer des dispositifs minces et légers en utilisant des substrats traditionnels”, a déclaré Junming Zhao, chef de l’équipe de recherche de l’Université de Nanjing en Chine. “L’utilisation du papier comme substrat peut aider à répondre à ces exigences tout en se prêtant à des métasurfaces conformes à une surface ou reconfigurables mécaniquement.”

Dans la revue Optical Materials Express, les chercheurs décrivent leur nouvelle technique, qui utilise un stylo à bille avec de l’encre conductrice pour dessiner des conducteurs et des crayons mécaniques pour dessiner des résistances et des films résistifs.Ils ont incorporé ce processus dans une machine de dessin contrôlée par ordinateur pour le rendre plus automatique et plus précis.

“Bien que les métamatériaux à base de papier aient déjà été fabriqués à l’aide de la technologie d’impression à jet d’encre, notre technique de dessin est moins coûteuse, plus simple et plus flexible”, a déclaré Zhao. “Notre méthode pourrait être utile pour fabriquer des antennes et des métalliens reconfigurables ainsi que des dispositifs de métamatériaux qui absorbent l’énergie électromagnétique incidente des téléphones portables ou d’autres sources.”

Dessin automatisé

La nouvelle machine à dessiner utilise des stylos avec de l’encre contenant un matériau conducteur ou des crayons mécaniques normaux avec une teneur en graphite variable. Il dispose de trois moteurs pas à pas, dont deux contrôlent le mouvement du stylo ou du crayon dans le plan horizontal, tandis que l’autre soulève ou laisse tomber l’instrument d’écriture dans le plan vertical. Les paramètres de la machine à dessiner, tels que la vitesse de déplacement, sont contrôlés par un ordinateur.

“Une partie du papier que nous avons essayé n’était pas très compatible avec les crayons ou les stylos à encre conductrice, ce qui entraînait une mauvaise conductivité des motifs dessinés”, a déclaré Zhao.”Après quelques tests, nous avons constaté que les meilleures performances provenaient de l’utilisation d’un papier de 0,22 mm d’épaisseur, facile à obtenir et très compatible avec les crayons et l’encre conductrice.”

Les chercheurs ont utilisé le stylo à encre conductrice pour dessiner des motifs sur papier et ont constaté que les motifs avaient une bonne conductivité de 3×106 Siemens par mètre. Ils ont également testé des crayons avec différentes quantités de graphite, des temps de dessin et des pressions de dessin pour caractériser la façon dont ces facteurs affectaient la résistance électrique. Cela leur a permis de calculer les conditions nécessaires pour dessiner des motifs avec une résistance spécifique.

Création de métamatériaux papier

À l’aide de leur nouvelle technique de dessin, les chercheurs ont conçu et fabriqué trois métamatériaux différents à base de papier : un convertisseur de polarisation, un absorbeur et une métasurface codante conforme. Ils ont montré que le convertisseur de polarisation pouvait faire pivoter la polarisation linéaire de 90° avec une efficacité de conversion de plus de 90% de 3,1 à 6,6 GHz.L’absorbeur qu’ils ont fabriqué avait une masse de seulement 58,3 grammes et atteignait une absorptivité de 90% entre 2,1 GHz et 10,5 GHz.

Les chercheurs ont également créé une métasurface codante conforme qui pourrait être utilisée pour la réduction de la section transversale du radar, qui est utilisée pour cacher le signal radar dans les avions et les navires militaires. Cette métasurface avait deux unités structurelles avec une différence de phase de réflexion de 180° l’une par rapport à l’autre, ce qui leur permettait d’agir comme des éléments 0′ et 1′ pour le codage 1 bit. Lorsqu’elle est pliée autour d’une surface incurvée, cette métasurface a obtenu une réduction de la section transversale radar de 10 dB sur une bande de fréquences de 8,94 à 11,59 GHz.

“Nous espérons qu’à l’avenir, nous pourrons utiliser la technologie de dessin pour concevoir et fabriquer des méta-dispositifs qui pourraient être transportés ou appliqués sur la peau pour obtenir un blindage électromagnétique et d’autres fonctions”, a déclaré Zhao. “Nous prévoyons également de concevoir des métamatériaux reconfigurables mécaniquement qui tirent parti du fait que le papier peut être plié et plié.”

Source de l’histoire :

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Référence de journal:

1. Kaiyue Zhu, Shuyang Hao, Ke Chen, Tian Jiang, Junming Zhao, Yijun Feng. Dessin direct de métamatériaux sur papier à partir d’une machine à dessiner automatique. Optical Materials Express, 2022; 12 (11): 4299 DOI: 10.1364/OME.472866