Los metamateriales Fabricacion mediante el método de dibujo de fibra

Este procedimiento tiene como objetivo fabricar metamateriales de forma económica a una escala potencialmente industrial. Primero, fabrique el tubo de revestimiento de PMMA en el estirado primario. Luego, introduzca el indio en el orificio y estire la fibra rellena de indio utilizando un proceso de estirado primario.

Monte el indio apilado, el preforma lleno y una rodilla en un horno a 90 grados Celsius. Proceda con un proceso de estirado secundario para estirar el preforma relleno de indio apilado en una fibra. Los metamateriales resultantes contienen alambres de cinco micrones separados por 50 micrones que pueden fabricarse a bajo costo a una escala potencialmente industrial y muestran respuesta plasmónica en el rango de frecuencia de terahercios.

Otros métodos para fabricar metamateriales, como las técnicas litográficas, de nanofabricación y microfabricación, son costosos y pueden producir muestras que en su mayoría tienen solo unos pocos centímetros de tamaño. La principal ventaja de nuestra técnica es que podemos fabricar cientos de metros de metamateriales en forma de fibra. Esto nos permite abordar preguntas importantes en el campo, como si es posible fabricar metamateriales en cantidades tecnológica y prácticamente relevantes.

El método particular que estamos demostrando aquí produce metamateriales con una respuesta plasmónica en el rango de terahercios. El proceso puede, en principio, reducirse a escala nanométrica, obteniendo metamateriales con una respuesta en el espectro visible. La inspiración para este método provino de nuestro trabajo anterior sobre la elaboración de fibras con electrodos internos para fabricar moduladores electroópticos.

Recientemente nos dimos cuenta de que esta técnica, significativamente extendida, podría utilizarse para crear metamateriales. Fabricar metamateriales mediante el estirado de preformas de fibras rellenas apiladas es difícil de aprender. Esperamos que esta demostración visual muestre cómo se ven los diversos elementos y las condiciones necesarias para estirar estas estructuras complejas hasta escala micrométrica.

Como demostración de este proceso, contaremos con Richard Luin, un ingeniero, y Alessandro T, un estudiante de doctorado de nuestro grupo de investigación. Este método de fabricación de metamateriales comprende dos etapas de estirado, en las que cada etapa implica una miniaturización. Un objeto macroscópico denominado preforma se reduce a un filamento mediante estirado en un horno.

El proceso de estirado primario se utiliza para estirar o revestir preformas hasta un diámetro exterior mayor a un milímetro. Como referencia, utilice las condiciones de estirado primario de la tabla uno del texto adjunto. Para cargar la preforma en la torre de estirado, sujete el extensor superior en el mandril de tres mordazas, introduzca la preforma en la zona caliente del horno y alinéela utilizando la plataforma micrométrica XY.

Luego cierre la placa superior del horno. Aumente la temperatura hasta 185 grados Celsius. Inicie la velocidad de alimentación a cinco milímetros por minuto.

Establezca una velocidad de tracción de seis milímetros por minuto y cierre las abrazaderas de la unidad de tracción. Monitoree el comportamiento de la tensión de tracción a lo largo del tiempo. Si se realiza un revestimiento, entonces se requiere vacío.

Sujete un tubo de vacío al extensor de preforma sellado al vacío utilizando masilla azul. Inicie las unidades de alimentación y estirado, luego aplique vacío y supervise la temperatura del horno y la relación entre las velocidades de alimentación y estirado para mantener un diámetro exterior constante y la tensión de estirado. El tubo de revestimiento de polimetilmetacrilato utilizado para estructurar el alambre de indio de un milímetro se produce mediante estirado y encamisado.

Tubos estándar de PMMA en el proceso de tracción primario para producir un tubo de revestimiento final de PMMA de un milímetro de diámetro y doce milímetros de diámetro exterior. Primero, corte longitudes de 600 milímetros de tubos de PMMA con un diámetro interior de seis milímetros y un diámetro exterior de doce milímetros. Prepare varios tubos de PMMA para su uso futuro durante el proceso de recocido.

Coloque los tubos de PMMA en un horno de recocido a 90 grados Celsius durante un mínimo de cinco días. Después de que los tubos Anil se enfríen a temperatura ambiente, limpie la superficie del tubo de PMMA con toallitas de isopropanol y deje secar. A continuación, fije el tubo de PMMA al extensor superior utilizando cinta reflectante.

También fije el tubo de PMMA al extensor inferior del tirado primario. Ahora se estira el tubo de PMMA desde un diámetro exterior de 12 milímetros hasta seis milímetros en el proceso de tirado primario mostrado anteriormente. Caliente y aplaste un extremo del tubo resultante con una pistola de aire caliente e insértelo en un tubo nuevo de PMMA.

Para crear el sello del ensamblaje del tubo de PMMA, cierre la brecha inferior entre el tubo estirado y el nuevo ensamblaje del tubo de PMMA. Con cinta de PTFE, fije el extremo superior del ensamblaje del tubo de PMMA al extensor superior utilizando una capa interna de cinta adhesiva, una capa intermedia de cinta de PTFE y una capa externa de cinta reflectante. Asegúrese de que la cinta de PTFE esté bien ajustada y de que todas las brechas entre el ensamblaje del tubo de PMMA y el extensor superior estén selladas, estire y deslice.

El ensamblaje de tubo de PMMA resultante en el proceso de estirado primario bajo vacío, como se mostró anteriormente, se reduce desde un diámetro exterior de 12 milímetros hasta seis milímetros, lo que da como resultado una relación entre el diámetro interior y el diámetro exterior de aproximadamente 0,25. Repita este proceso hasta que el tubo de revestimiento de PMMA final tenga una relación entre diámetro interior y diámetro exterior de aproximadamente 0,1, con un diámetro interior de un milímetro. El proceso de estirado secundario se utiliza para estirar los preformados hasta un diámetro exterior menor a un milímetro.

Cuando se alcanza la temperatura de estirado, la preforma comienza a adelgazarse al salir del horno debido al peso del extensor inferior. Aplique la fuerza inicial de estirado, inicie la velocidad de alimentación entre 2,5 y cinco milímetros por minuto e incremente la temperatura del horno hasta 170 grados Celsius. Luego aumente lentamente la temperatura entre 2,5 y cinco grados Celsius hasta alcanzar 220 grados Celsius.

Para controlar la velocidad del descenso, mantenga el diámetro de la fibra entre 250 y 500 micrones. Para evitar que la fibra se rompa, sujete la fibra a la rueda capstan que gira a una velocidad lenta inferior a un metro por minuto. Enrolle la fibra alrededor de las ruedas reguladoras y sujétela al carrete de fibra.

Utilice las condiciones de tiro secundarias descritas en el manuscrito adjunto como guía para obtener las condiciones de tiro en estado estacionario y las dimensiones finales de la fibra. Para mantener un diámetro exterior constante y la tensión de tiro, supervise la temperatura del horno y la relación entre la velocidad de alimentación y la de tiro. El alambre de indio de un milímetro se insertará y estirará ahora dentro del tubo de revestimiento de PMMA en el proceso de tiro secundario para producir una fibra rellena de indio sin un diámetro de un milímetro. Corte el alambre de indio en longitudes de 550 milímetros e insértelo en el tubo de revestimiento de PMMA para crear el conjunto del preformado relleno. Estire y revista el conjunto del preformado relleno en el proceso de tiro secundario bajo vacío para obtener una fibra rellena de indio con un diámetro exterior final de un milímetro, estirada bajo una tensión de 15 a 20 gramos.

Una vez completado el proceso de estirado, retire la bobina de fibra rellena de indio de la torre, inspeccione la cara final y la longitud longitudinal de la fibra rellena de indio bajo un microscopio óptico. Defectos problemáticos pueden incluir separación entre el alambre de indio y la interfaz del tubo de PMMA, fluctuaciones en el diámetro o grietas de fractura a lo largo de la longitud de la fibra. Agrupe varias fibras rellenas de indio utilizando bandas de goma e insértelas en el tubo de revestimiento preformado de PMMA, asegurándose de que las fibras estén rectas, ajustadas, estiradas y correctamente enfundadas. Apile el conjunto preformado en el proceso secundario de estirado bajo vacío para obtener una fibra de indio apilado con un diámetro exterior final de 0,6 milímetros, estirada bajo una tensión de 80 gramos.

El producto deseado es una fibra de metamaterial que contiene alambres de cinco micrones separados por 50 micrones. Este esquema de sección transversal de una funda con múltiples camisas muestra un único alambre de indio recubierto en tres tubos sucesivos de PMMA. La preforma de una fibra de PMMA de un milímetro contiene un alambre continuo de indio de 100 micrones de diámetro.

Esta imagen de microscopio es un ejemplo de la sección transversal de una fibra de metamaterial con respuesta plasmónica en el rango de terahercios. La respuesta plasmónica se manifiesta de tal manera que a bajas frecuencias, el material se comporta como un metal, y a altas frecuencias como un dieléctrico, siendo las frecuencias plasmáticas las que definen el límite entre ambos comportamientos. Mediciones experimentales caracterizan este tipo de fibra estirada hasta tres dimensiones diferentes.

En ambos casos, es evidente la dependencia de la frecuencia del plasma con respecto al diámetro. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar estructuras de metamateriales de forma económica y a una escala potencialmente industrial. Recuerde estirar las fibras del campo indio bajo alta tensión para evitar que el indio se fracture a lo largo de la longitud de la fibra.

Esto se logra manteniendo una baja temperatura, lo que provoca una alta viscosidad en el polímero y, por tanto, preserva la estructura que contiene el metal líquido.