声学超材料期刊

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声学与振动，应用物理

美国塔夫茨大学开发出3D打印的超材料！

导读

背景

超材料（metamaterial），通常是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说，超材料可以操控光波、声波、电磁波等，使它们改变通常的性质，这样的效果是普通材料所无法实现的。超材料的奇特性质来源于独特的结构和尺寸。它通常具有以重复图案排列的几何特征，这些微结构的尺寸小于可被检测或影响的能量波长。

典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等，它们时常表现出“超常”的物理特性，例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。

如今，超材料已经成为一项非常热门且应用范围极广的前沿技术。超材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。

3D打印技术，是快速成型技术的一种。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。

然而，3D打印技术的新进展，使得在更小的尺度上创造更多的超材料形状和图案变得可能。

创新

近日，美国塔夫茨大学（Tufts University）的工程师团队开发出一系列3D打印的超材料。这些超材料具有独特的微波或者光学特性，这些特性超越了传统的光学或电子材料所能实现的。

无论是现在还是未来，研究人员们开发出的制造方法都表明，3D打印技术有望拓展几何设计与复合材料的范围，带来具有新颖光学特性的设备。在一个案例中，研究人员们从飞蛾复眼中汲取灵感，创造出一种半球状设备，能以选定波长从任何方向上吸收电磁信号。

这项研究于4月8日发表在由 Springer Nature 出版的《微系统和纳米工程（Microsystems & Nanoengineering）》期刊上。

技术

在这项研究中，塔夫茨大学纳米实验室的研究人员们描述了一种采用3D打印、金属涂覆与蚀刻的混合制造方案，创造出波长处于微波范围、具有复杂几何结构和新颖功能的超材料。

例如，他们创造出微型蘑菇状结构阵列，每一个结构在茎的顶部都具有一个小型图案化的金属谐振器。这种特殊的排列使得处于特定频率的微波被吸收，这取决于所选“蘑菇”的几何形状和它们的间距。这种超材料的使用对于医疗诊断传感器、通信天线、成像探测器等应用都有着重要的价值。

这篇论文作者们开发出的其他设备包括抛物面反射器，它可以选择性地吸收和传输特定的频率。这样的概念通过将反射和过滤功能结合成一体来简化光学设备。

塔夫茨大学工学院电气与计算机工程系教授、纳米实验室领头人、这篇论文的通讯作者 Sameer Sonkusale 表示：“采用超材料合并功能的能力非常有用。我们可以采用这些材料减小光谱仪和其他光学测量设备的尺寸，使得它们能被设计用于便携式的现场研究。”

底层衬底的“3D制造工艺”结合“光学或电子的图案化加工”所形成的产品，被论文作者们称为“嵌入几何光学的超材料（MEGO）”。3D打印技术创造出的其他形状、尺寸和方向的图案可用于MEGO的构思，通过难以用传统制造方法实现的途径，创造吸收、增强、反射或者弯曲各种波。

目前，一系列技术都可用于3D打印。目前的研究利用了立体光刻技术，它聚焦光线，将光固化的树脂聚合成期望的形状。其他的3D打印技术，例如双光子聚合，可提供低至200纳米的打印分辨率，制造出更精细的超材料，这些超材料可检测和操控波长更短的电磁波信号，甚至有望包括可见光。

价值

塔夫茨大学工程学院 Sankusale 实验室的研究生、这篇论文的领导作者 Aydin Sadeqi 表示：“3D打印MEGO的潜力尚未被完全发掘出来。我们对于现有的技术还可以做很多事情，3D打印技术必将释放出巨大的潜力。”

关键字

参考资料

【1】

【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

声学超材料与凝聚态物理哪个好就业

声学超材料就业比较好。因为声学超材料解决环保问题的重要项目。我国现在正处于飞速发展的阶段，环保问题备受关注，材料是解决环保问题的根源所在。

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科学家创造了一种机制来精确控制超材料中的声波

俄勒冈大学(University of Oregon)的物理学家们已经开发出了一种操纵声音的新方法——阻止它、逆转它、储存它，甚至在以后使用它——这是一种被称为“超材料”的合成复合结构。

这一发现是通过对弹性薄板的机械振动的理论和计算分析得出的，而弹性薄板是提出设计的基石。物理学家Pragalv Karki和Jayson Paulose也开发了一个由弹簧和质量组成的更简单的最小模型，展示了同样的信号处理能力。

“有很多机制可以引导或阻止声波通过超材料的传输，但我们的设计是第一个动态停止和逆转声音脉冲，”Karki说，他是UO物理和基础科学研究所的博士后研究员。

弯曲刚度和整体张力之间的相互作用是控制声音在薄板中传播的两个物理参数，是其信号处理机制的核心。抗弯刚度是一种材料特性，而整体张力是系统的外可控参数。

Karki和Paulose，一位物理学助理教授和基础科学研究所的成员，在3月29日发表在《物理评论应用》杂志上的一篇论文中描述了他们的新机制，他们称之为动态色散调谐。

“如果你把一块石头扔到池塘里，你会看到涟漪，”卡尔基说。“但如果你扔出石头，看到的不是涟漪向外扩散，而是水在撞击点上下的位移呢?”这与我们的系统中发生的情况类似。”

卡尔基说，在人造超材料中操纵声音、光或任何其他波的能力是一个活跃的研究领域。

光学或光子超材料具有传统材料不可能具备的负折射率等特性，最初是为了控制光线而开发的，可以用来制造隐形斗篷和超级透镜。

它们的用途正在广泛应用，如航空航天和国防、消费电子、医疗设备和能源收集。

Karki表示，声学超材料通常是静态的，一旦产生就无法改变，动态调整它们的性能是一个持续的挑战。其他研究小组也提出了一些调整声音传输的策略，从折纸设计到磁开关。

“在我们的案例中，这种可调性来自于实时改变鼓状膜张力的能力，”Karki说。

卡尔基和保罗斯指出，另外的灵感来自物理学家UO实验室Benjamín Alemán的研究。2019年，Alemán的团队在《自然通讯》上发布了一种石墨烯纳米机械辐射热计，这是一种鼓状膜，可以在高速和高温下检测光的颜色。这种做法利用了全球紧张局势的变化。

虽然新论文中的机制是在理论上确定的，需要在实验室实验中证明，卡尔基说，他有信心的方法将工作。

“我们的动态色散调节机制与你使用的是声波、光波还是电子波无关，”Karki说。“这也为在光子和电子系统中操纵信号提供了可能。”

他说，可能性包括改进声音信号处理和计算。基于石墨烯设计声学超材料，如Alemán实验室开发的那些材料，可能会带来多种用途，如基于波的计算、微机械晶体管和逻辑器件、波导和超灵敏传感器。

卡尔基说:“我们的设计可以在微观尺度使用石墨烯，在大尺度上使用鼓状的薄膜。”“敲击鼓链，产生一种向一个方向移动的特定声音模式，但通过调整鼓的张力，我们可以停止这种声音，并将其储存起来，以备将来使用。”它可以被逆转或操纵成任何其他模式。”