Impressora fabrica metamateriais e metassuperfícies sobre papel

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/10/2022

O equipamento é simples, e outras equipes poderão usar prontamente os cálculos de parâmetros já feitos pela equipe.
[Imagem: Kaiyue Zhu et al. - 10.1364/OME.472866]

Impressora de metamateriais

Desde que viabilizaram os curiosos mantos de invisibilidade e feixes de transparência, os metamateriais e metassuperfícies avançaram muito, hoje sendo usados para fazer antenas de comunicações móveis além do 5G, isolantes acústicos, colheita de energia do ambiente, lentes planas para câmeras e até uma verdadeira "revolução da luz".

E agora tudo isso ficou muito mais fácil, graças a uma impressora de metamaterial.

Para apresentar propriedades que nenhum material natural tem, esses materiais artificiais são feitos de "meta-átomos", que são os elementos fundamentais dessa "meta-matéria". São pequenas unidades, parecidas com antenas, dispostas em forma de matriz, agindo conjuntamente para gerar mecanismos imbatíveis de manipulação das ondas - das ondas de luz às ondas do mar ou mesmo sísmicas.

A grande dificuldade para usar esses manipuladores de ondas em larga escala está justamente na sua construção, que hoje é feita com técnicas diametralmente opostas em termos de tecnologia, mas ambas igualmente caras: Quase artesanalmente, ou então usando os processos de fabricação da microeletrônica.

Kaiyue Zhu e colegas da Universidade Nanjing, na China, acabam de fechar esse hiato, facilitando tudo e a um custo muito baixo.

Zhu desenvolveu uma máquina de desenho automática que usa canetas e lápis para desenhar os metamateriais usando tintas adequadas, condutivas ou não, conforme o projeto.

"Metamateriais, especialmente aqueles usados como absorvedores [de ondas], geralmente precisam ser finos, leves, largos e fortes, mas não é fácil criar dispositivos finos e leves usando substratos tradicionais. Nosso método pode ser útil para fazer antenas e metalentes reconfiguráveis, bem como dispositivos metamateriais que absorvam a energia eletromagnética incidente de telefones celulares ou outras fontes," disse o professor Junming Zhao.

A equipe construiu três tipos de metamateriais, todos testados em laboratório.
[Imagem: Kaiyue Zhu et al. - 10.1364/OME.472866]

Desenho automatizado

A nova máquina de desenho utiliza canetas com tinta contendo material condutor ou lapiseiras normais, com teor variável de grafite. Ela 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 programa rodando no computador.

Após muitos testes, os pesquisadores gostaram dos resultados obtidos usando como substrato um papel comum de 0,22mm de espessura, no qual as nanoantenas traçadas com tinta condutora apresentaram uma boa condutividade, de 3 x 10⁶ Siemens por metro. Eles também testaram lápis com várias quantidades de grafite, tempos de desenho e pressões, para caracterizar como esses fatores afetam a resistência elétrica, o que permitiu calcular as condições necessárias para desenhar padrões com uma resistência específica.

Resultados práticos

A equipe então partiu para a prática, projetando e fabricando três diferentes metamateriais baseados em papel: Um conversor de polarização, um absorvedor de radiação eletromagnética (ou bloqueador de sinais) e uma metassuperfície de codificação conformal, usada em sistemas antirradar.

O conversor de polarização consegue girar a polarização linear em 90° com uma eficiência superior a 90%, de 3,1 a 6,6 GHz. O absorvedor, pesando apenas 58,3 gramas, alcançou 90% de absortividade entre 2,1 GHz e 10,5 GHz. E material antirradar, quando colado em torno de uma superfície curva, 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 tirem vantagem do fato de que o papel pode ser curvado e dobrado."

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