افتعال يتعلق بما وارء باستخدام أسلوب الرسم الألياف

يهدف هذا الإجراء إلى تصنيع المواد الميتا-مادية (metamaterials) بتكلفة منخفضة وعلى نطاق صناعي محتمل. أولاً، يتم تصنيع أنبوب التغليف من مادة PMMA في عملية السحب الأولية. بعد ذلك، يتم وضع الإنديوم في الفتحة وسحب الليف المملوء بالإنديوم باستخدام عملية سحب أولية.

قم بتجميع المسبق الشكل المملوء بالإنديوم والمكدس مع وصلة ركبة في فرن عند درجة حرارة 90 درجة Celsius. ابدأ بعملية سحب ثانوية لسحب المسبق الشكل المكدس والمملوء بالإنديوم وتحويله إلى ليف بصري. تحتوي المواد الميتا-مادية الناتجة على أسلاك بقطر 5 micron تفصل بينها مسافة 50 microns، والتي يمكن تصنيعها بتكلفة منخفضة وعلى نطاق صناعي محتمل، وتظهر استجابة بلازمونية في نطاق ترددات التيراهيرتز.

تُعد الطرق الأخرى لتصنيع المواد الميتا-مادية، مثل تقنيات الليثوغرافيا والتصنيع النانوي والدقيق، مكلفة ويمكن أن تنتج عينات لا يتجاوز حجمها بضعة سنتيمترات. تكمن الميزة الرئيسية لتقنيتنا في قدرتنا على تصنيع مئات الأمتار من المواد الميتا-مادية في شكل ألياف، وهو ما يتيح لنا معالجة أسئلة مهمة في هذا المجال، مثل مدى إمكانية تصنيع المواد الميتا-مادية بكميات ذات صلة من الناحية التكنولوجية والعملية.

تؤدي الطريقة المحددة التي نستعرضها هنا إلى إنتاج مواد ميتا (metamaterials) ذات استجابة بلازمونية في نطاق التيراهيرتز. ويمكن، من حيث المبدأ، تقليص هذه العملية إلى المقياس النانوي لإنتاج مواد ميتا ذات استجابة في الطيف المرئي. وقد استُوحيَت هذه الطريقة من عملنا السابق على سحب الألياف ذات الأقطاب الكهربائية الداخلية لصناعة مُعدِّلات كهرو-بصرية.

لقد أدركنا مؤخراً أن هذه التقنية المُطورة بشكل كبير يمكن استخدامها لإنشاء مواد خارقة (metamaterials). ويعد تصنيع المواد الخارقة عن طريق سحب القوالب الأولية من الألياف الهندية المملوءة والمكدسة أمراً صعب التعلم. ونأمل أن يوضح هذا العرض المرئي شكل العناصر المختلفة والظروف المطلوبة لسحب هذه الهياكل المعقدة وصولاً إلى مقياس الميكرون.

سيقوم بتوضيح هذه العملية كل من ريتشارد لوين، وهو مهندس، وأليساندرو تي، وهو طالب دكتوراه من مجموعتنا البحثية. تتضمن طريقة تصنيع المواد الميتا-مادية هذه مرحلتين من السحب، حيث تتضمن كل مرحلة عملية تصغير. يتم ذلك عن طريق سحب جسم عياني يسمى "القبلة" (preform) في فرن لتحويله إلى خيط.

تُستخدم عملية السحب الأولية لتمديد أو تغليف القوالب الأولية (preforms) حتى يصل القطر الخارجي إلى قيمة أكبر من 1 mm. وكدليل إرشادي، استعن بظروف السحب الأولية الموضحة في الجدول 1 من النص المرفق لتحميل القالب الأولي على برج السحب. قم بتثبيت الممدد العلوي في ظرف ثلاثي الفكوك، ثم أدخل القالب الأولي في المنطقة الساخنة من الفرن وقم بمحاذاته باستخدام منصة ميكرومتر XY.

ثم أغلق اللوح العلوي للفرن. ارفع درجة الحرارة إلى 185 °C. ابدأ بمعدل تغذية قدره 5 mm/min.

اضبط معدل السحب عند 6 mm/min وأغلق مشابك وحدة السحب. راقب سلوك توتر السحب بمرور الوقت. في حالة حدوث انزلاق الغلاف، يكون استخدام الفراغ ضرورياً.

ثبّت أنبوب تفريغ في الجزء العلوي من ممدد القالب المسبق المحكم تفريغياً باستخدام المادة اللاصقة الزرقاء (blue tack). ابدأ تشغيل وحدات التغذية والسحب، ثم طبّق التفريغ مع مراقبة درجة حرارة الفرن والنسبة بين معدلي التغذية والسحب للحفاظ على قطر خارجي وتوتر سحب ثابتين. يتم إنتاج أنبوب الغلاف المصنوع من polymethyl methacrylate المستخدم لهيكلة سلك indium بقطر 1 mm عن طريق التمديد والتغليف.

أنابيب PMMA قياسية في عملية السحب الأولية لإنتاج أنبوب تغليف نهائي من PMMA بقطر داخلي قدره 1 mm وقطر خارجي قدره 12 mm. أولاً، يتم قطع أنابيب PMMA بطول 600 mm وبقطر داخلي 6 mm وقطر خارجي 12 mm. يتم تحضير عدة أنابيب PMMA لاستخدامها لاحقاً خلال عملية التبريد التدريجي.

ضع أنابيب PMMA في فرن تلدين عند 90 درجة مئوية لمدة لا تقل عن خمسة أيام. بعد أن تبرد الأنابيب الملدنة لتصل إلى درجة حرارة الغرفة، نظف سطح أنبوب PMMA باستخدام مسحات الإيزوبروبانول واتركه ليجف. بعد ذلك، قم بتثبيت أنبوب PMMA في الممدد العلوي باستخدام شريط عاكس.

قم أيضاً بتثبيت أنبوب PMMA بالطرف السفلي للمسحب الأولي. الآن نقوم بسحب أنبوب PMMA من قطر خارجي يبلغ 12 millimeters إلى 6 millimeters في عملية السحب الأولية الموضحة سابقاً. استخدم مسدس الهواء الساخن لكبس الحرارة على أحد طرفي الأنبوب الناتج، ثم أدخله في أنبوب PMMA جديد.

لإنشاء مجموعة أنبوب PMMA، قم بسد الفجوة السفلية بين الأنبوب الممدد ومجموعة أنبوب PMMA الجديدة. وباستخدام شريط PTFE، قم بتثبيت الطرف العلوي لمجموعة أنبوب PMMA بالوصلة العلوية باستخدام طبقة داخلية من الشريط اللاصق، وطبقة وسطى من شريط PTFE، وطبقة خارجية من الشريط العاكس. تأكد من أن شريط PTFE محكم وأن جميع الفجوات بين مجموعة أنبوب PMMA والوصلة العلوية مسدودة، مع التمديد والتغليف.

يتم سحب تجميعة أنبوب PMMA الناتجة في عملية السحب الأولية تحت تفريغ كما هو موضح سابقاً، من قطر خارجي يبلغ 12 millimeters إلى ستة millimeters، مما يؤدي إلى نسبة قطر داخلي إلى قطر خارجي تبلغ حوالي 0.25. تكرر هذه العملية حتى يصل أنبوب غلاف PMMA النهائي إلى نسبة قطر داخلي إلى خارجي تبلغ حوالي 0.1 بقطر داخلي يبلغ one millimeter. وتُستخدم عملية السحب الثانوية لتمديد القوالب الأولية إلى قطر خارجي أصغر من one millimeter.

عند الوصول إلى درجة حرارة السحب، يبدأ شكل المسبق (preform) في التخصر عند خروجه من الفرن نتيجة لوزن الممدد السفلي. لتوفير قوة السحب الأولية، ابدأ بمعدل تغذية يتراوح من 2.5 إلى 5 ملم/دقيقة، وابدأ بزيادة درجة حرارة الفرن إلى 170 °C. ثم قم بزيادة درجة الحرارة ببطء بمقدار 2.5 إلى 5 °C وصولاً إلى 220 °C.

للتحكم في سرعة الهبوط، حافظ على قطر الليف في حدود 250 إلى 500 ميكرون. ولمنع انقطاع الليف، قم بتثبيت الليف بعجلة السحب التي تدور بمعدل بطيء يقل عن متر واحد في الدقيقة. قم بلف الليف حول عجلات الراقص وتثبيته ببكرة الليف.

استخدم شروط السحب الثانوية الواردة في المخطوطة المرفقة كدليل للحصول على شروط السحب في الحالة المستقرة وأبعاد الألياف النهائية. وللحفاظ على قطر خارجي ثابت وتوتر سحب ثابت، راقب درجة حرارة الفرن والنسبة بين معدل التغذية ومعدل السحب. سيتم الآن تغليف سلك الإنديوم الذي يبلغ قطره 1 mm ومدّه داخل أنبوب غلاف من PMMA في عملية السحب الثانوية لإنتاج ليف مملوء بالإنديوم بقطر 1 mm. قم بقص سلك الإنديوم إلى أطوال تبلغ 550 mm وأدخله في أنبوب غلاف PMMA لإنشاء مجموعة تشكيل أولي مملوءة بالإنديوم، ثم قم بمد وتغليف مجموعة التشكيل الأولي المملوءة في عملية السحب الثانوية تحت تفريغ هوائي لصنع ليف مملوء بالإنديوم بقطر خارجي نهائي يبلغ 1 mm، مسحوب تحت توتر يتراوح بين 15 إلى 20 grams.

بعد اكتمال عملية السحب، قم بإزالة بكرة الألياف المملوءة بالإنديوم من البرج، وافحص الوجه النهائي وعلى طول الطول الطولي للألياف المملوءة بالإنديوم تحت مجهر ضوئي. قد تشمل العيوب الإشكالية الانفصال بين سلك الإنديوم وواجهة أنابيب PMA، أو التقلبات في القطر العريض أو شقوق الكسور على طول حزمة الألياف. قم بتجميع العديد من الألياف المملوءة بالإنديوم باستخدام أربطة مطاطية وأدخلها في أنبوب غلاف PMMA مُشكل مسبقاً، مع التأكد من أن الألياف مستقيمة ومحكمة الملاءمة، ثم قم بمطها وتغليفها. يتم إدخال تجميعة الشكل المسبق المكدسة في عملية السحب الثانوية مع تفريغ الهواء لإنتاج ألياف إنديوم مكدسة بقطر خارجي نهائي 0.6 millimeters ويتم سحبها تحت Tension قدره 80 grams.

المنتج المطلوب هو ليف مادة خارقة (metamaterial fiber) يحتوي على خمسة أسلاك ميكرونية تفصل بينها مسافة 50 micron. يوضح هذا المخطط للمقطع العرضي لغلاف متعدد الطبقات سلك Indio واحد مغلف بثلاثة أنابيب PMMA متتالية. تحتوي القالب المسبق (preform) من ليف PMMA بقطر واحد millimeter على سلك إنديوم مستمر بقطر 100 micron.

تعد صورة المجهر هذه مثالاً للمقطع العرضي لألياف مادة خارقة (metamaterial) ذات استجابة بلازمونية في نطاق التيراهيرتز. وتظهر الاستجابة البلازمونية بحيث تسلك المادة سلوك المعدن عند الترددات المنخفضة، وسلوك العازل الكهربائي عند الترددات العالية، حيث تحدد ترددات البلازما الحد الفاصل بين هذين السلوكين هنا. وتعمل القياسات التجريبية على توصيف هذا النوع من الألياف المسحوبة بثلاثة أبعاد مختلفة.

في كلتا الحالتين، يظهر بوضوح اعتماد تردد البلازما على القطر. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصنيع هياكل المواد الميتا-مادية بتكلفة منخفضة وعلى نطاق صناعي محتمل. تذكر سحب ألياف الحقل الهندية تحت شد عالٍ لمنع تكسر الحقل الهندي على طول الليف.

يتم تحقيق ذلك من خلال الحفاظ على درجة حرارة منخفضة، مما يؤدي إلى زيادة لزوجة البوليمر، وبالتالي الحفاظ على البنية التي تحتوي على المعدن السائل.