Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

נוהל זה נועד לייצר חומרים מטא-חומרים (metamaterials) בעלות נמוכה ובקנה מידה תעשייתי פוטנציאלי. ראשית, ייצרו את צינור המעטפת מ-PMMA במשיכה ראשונית. לאחר מכן, הכניסו את האינדיום לחור ומשכו את הסיב הממולא באינדיום באמצעות תהליך משיכה ראשוני.

הניחו את הפרפורם הממולא באינדיום המערבד ואת הברך (knee) בתנור בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס. המשיכו בתהליך משיכה משני כדי למשוך את הפרפורם הממולא באינדיום המערבד לכדי סיב. המטא-חומרים המתקבלים מכילים חוטים ברוחב 5 מיקרון המופרדים ב-50 מיקרון, שניתן לייצרם בעלות נמוכה ובקנה מידה תעשייתי פוטנציאלי, והם מראים תגובה פלסמונית בטווח תדרי הטרהרץ.

שיטות אחרות לייצור מטא-חומרים (metamaterials), כגון טכניקות של ליתוגרפיה, ננו-פבריקציה ומיקרו-פבריקציה, הן יקרות ויכולות להפיק דוגמאות שגודלן לכל היותר מספר סנטימטרים. היתרון המרכזי של הטכניקה שלנו הוא היכולת לייצר מאות מטרים של מטא-חומרים בצורת סיב. דבר זה מאפשר לנו להתייחס לשאלות חשובות בתחום, כגון האם ניתן לייצר מטא-חומרים בכמויות הרלוונטיות מבחינה טכנולוגית ומעשית.

השיטה הספציפית שאנו מדגימים כאן מפיקה מטא-חומרים בעלי תגובה פלסמונית בתדר הטרהרץ. באופן עקרוני, ניתן להקטין את התהליך לקנה מידה ננומטרי כדי להפיק מטא-חומרים עם תגובה בספקטרום הנראה. ההשראה לשיטה זו הגיעה מעבודתנו המוקדמת על משיכת סיבים בעלי אלקטרודות פנימיות ליצירת מודולטורים אלקטרו-אופטיים.

הבנו לאחרונה שניתן להשתמש בטכניקה זו, שהורחבה משמעותית, ליצירת חומרי מטא (metamaterials). ייצור של חומרי מטא באמצעות משיכה של פריפורמים (preforms) של סיבים ממולאים באינדיום המונחים זה על גבי זה הוא תהליך שקשה ללמוד. אנו מקווים שההדגמה הוויזואלית הזו תראה כיצד נראים האלמנטים השונים ואת התנאים הנדרשים כדי למשוך את המבנים המורכבים הללו עד לקנה מידה של מיקרון.

מי שידגים תהליך זה הם ריצ'רד לואין, מהנדס, ואלסנדרו T, דוקטורנט מקבוצת המחקר שלנו. שיטת ייצור זו של מטא-חומרים כוללת שני שלבי מתיחה, כאשר כל שלב כולל מיניאטוריזציה של אובייקט מאקרוסקופי הנקרא "preform" על ידי מתיחתו בתנור לכדי פילמנט.

תהליך המתיחה הראשוני משמש למתיחה או לכיסוי של פרפורמים (preforms) עד לקוטר חיצוני הגדול ממילימטר אחד. כהנחיה, השתמשו בתנאי המתיחה הראשוניים המופיעים בטבלה 1 בטקסט הנלווה כדי להטעין את הפרפורם למגדל המתיחה. חבקו את הממתח העליון לפציר בעל שלושה לסנפנים, הזריקו את הפרפורם לאזור החם של התנור ויישרו אותו באמצעות במת המיקרומטר XY.

לאחר מכן סגרו את הפלטה העליונה של הכבשן. הגבירו את הטמפרטורה ל-185 °C. התחילו את קצב ההזנה בחמישה מילימטרים לדקה.

משכו בקצב של ששה מילימטרים לדקה וסגרו את תפסני יחידת המשיכה. עקבו אחר התנהגות מתח המשיכה לאורך זמן. אם מופיע "שרוול" (sleeving), נדרש ואקום.

חברו צינור ואקום למותח של הטופ-פרפורם (preform) האטום בוואקום באמצעות דבק בלו-טאק (blue tack). הפעילו את יחידות ההזנה והמתיחה, ולאחר מכן יישמו ואקום; עקבו אחר טמפרטורת התנור ואחר היחס בין קצבי ההזנה למתיחה כדי לשמור על קוטר חיצוני קבוע ועל מתיחת המשיכה. צינור המעטפת מ-polymethyl methacrylate המשמש למבנה של חוט האינדיום בעובי מילימטר אחד מיוצר על ידי מתיחה והשחלה.

צינורות PMMA סטנדרטיים בתהליך השאיבה הראשוני להפקת צינור מעטפת PMMA סופי בעובי קיר של מילימטר אחד וקוטר חיצוני של 12 מילימטר. ראשית, חתכו קטעים באורך 600 מילימטר של צינורות PMMA בעלי קוטר פנימי של שישה מילימטר וקוטר חיצוני של 12 מילימטר. הכינו מספר צינורות PMMA לשימוש עתידי במהלך תהליך ההשכבה (sleeping process).

הנח את צינורות ה-PMMA בתנור חישול בטמפרטורה של 90 °C למשך חמישה ימים לפחות. לאחר שהצינורות התקררו לטמפרטורת החדר, נקה את פני השטח של צינור ה-PMMA באמצעות מגבונים ספוגי איזופרופנול והשאר לייבוש. לאחר מכן, חבר את צינור ה-PMMA למחבר העליון באמצעות סרט רפלקטיבי.

כעת, חברו את צינור ה-PMMA למרחיב התחתון של המשיכה הראשונית. כעת נמשוך את צינור ה-PMMA מקוטר חיצוני של 12 מילימטרים לשישה מילימטרים בתהליך המשיכה הראשוני שהוצג קודם לכן. בצעו כיווץ תרמי לצד אחד של הצינור שהתקבל באמצעות פן תעשייתי והחדירו אותו לתוך צינור PMMA חדש.

כדי ליצור את אטום מכלול צינור ה-PMMA, אטמו את המרווח התחתון שבין הצינור המתוח לבין מכלול צינור ה-PMMA החדש. באמצעות סרט PTFE, חברו את הקצה העליון של מכלול צינור ה-PMMA למאריך העליון באמצעות שכבה פנימית של סרט דביק, שכבה אמצעית של סרט PTFE ושכבה חיצונית של סרט רפלקטיבי. ודאו שסרט ה-PTFE הדוק וכל המרווחים בין שני מכלולי ה-PMMA למאריך העליון אטומים, מתיחה ומעטפת.

מכלול צינור ה-PMMA המתקבל בתהליך המתיחה הראשוני תחת ואקום, כפי שהודגם קודם לכן, מוקטן מקוטר חיצוני של 12 מילימטרים לששה מילימטרים, מה שמוביל ליחס בין הקוטר הפנימי לקוטר החיצוני של כ-0.25. חזור על תהליך זה עד שצינור המעטפת הסופי של ה-PMMA יגיע ליחס קוטר פנימי חיצוני של כ-0.1 עם קוטר פנימי של מילימטר אחד. תהליך המתיחה המשני משמש להארכת המבנים המקדימים (preforms) לקוטר חיצוני קטן ממילימטר אחד.

כאשר הגעת טמפרטורת המתיחה, הפרפורם מתחיל להצטמצם ביציאה מהתנור עקב משקל המאריך התחתון. כדי לספק את כוח המתיחה הראשוני, התחילו את קצב ההזנה ב-2.5 עד חמישה מילימטרים לדקה והגבירו את טמפרטורת התנור ל-170 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, הגבירו לאט את הטמפרטורה ב-2.5 עד חמישה מעלות צלזיוס, עד להגעה ל-220 מעלות צלזיוס.

כדי לשלוט במהירות הירידה, שמרו על קוטר הסיב סביב 250 עד 500 מיקרון. כדי למנוע את קריעת הסיב, חברו את הסיב לגלגל המתיחה (capstan wheel) המסתובב בקצב איטי של פחות ממיטר אחד לדקה. גלגלו את הסיב סביב גלגלי הריקוד (dancer wheels) וחברו אותו לסPOOL הסיב.

השתמשו בתנאי המשיכה המשניים המופיעים בכתב היד הנלווה כמדריך להשגת תנאי משיכה במצב יציב וממדי סיב סופיים. כדי לשמור על קוטר חיצוני קבוע ועל מתיחת המשיכה, עקבו אחר טמפרטורת התנור והיחס בין קצב ההזנה לקצב המשיכה. תיל האינדיום בעובי מילימטר אחד יעבור כעת בידוד ומתיחה בתוך צינור מעטפת PMMA בתהליך המשיכה המשני כדי להפיק סיב ממולא אינדיום בעלת קוטר של מילימטר אחד. חתכו את תיל האינדיום לאורך של 550 millimeter והכניסו אותו לתוך צינור מעטפת ה-PMMA כדי ליצור את מכלול הפרפורם הממולא באינדיום; מתוחו ובדדו את מכלול הפרפורם הממולא בתהליך המשיכה המשני תחת ואקום כדי להכין סיב ממולא אינדיום בעל קוטר חיצוני סופי של מילימטר אחד, שנמשך תחת מתיחה של 15 עד 20 גרם.

לאחר השלמת תהליך המשיכה, הוציאו את סליל הסיב הממולא באינדיום מהמגדל ובחנו את פני השטח של הקצה ואת האורך האורכי של הסיב הממולא באינדיום תחת מיקרוסקופ אור. פגמים בעייתיים עשויים לכלול הפרדה בין ממשק תיל האינדיום לצינור ה-PMA, תנודות בקוטר או סדקי שברים לאורך צרור הסיבים. אגדו מספר סיבים ממולאים באינדיום באמצעות גומיות והכניסו אותם לתוך צינור המעטפת המהודר מ-PMMA, תוך הבטחה שהסיבים ישרים ומתאימים באופן הדוק. מתוח והחלק את מכלול הפרפורם המערכב בתהליך המשיכה המשני תחת ואקום כדי לייצר סיב אינדיום מערכב בקוטר חיצוני סופי של 0.6 מילימטרים, כאשר המשיכה מתבצעת תחת מתח של 80 גרמים.

המוצר הרצוי הוא סיב מטא-חומר המכיל חמישה חוטי מיקרון המופרדים ב-50 מיקרון. סכמה זו של חתך רוחב של מעטפת בעלת שרוולים מרובים מראה חוט אינדיום בודד המעטוף בשלוש צינורות PMMA עוקבים. הפרפורם של סיב PMMA בעובי מילימטר אחד מכיל חוט אינדיום רציף בקוטר של 100 מיקרון.

תמונת מיקרוסקופ זו היא דוגמה לחתך רוחב של סיב מטא-חומר עם תגובה פלסמונית בטווח התרהרץ. התגובה הפלסמונית באה לידי ביטוי כך שבשכיבויות נמוכות, החומר מתנהג כמתכת, ובשכיבויות גבוהות כדיאלקטריק, כאשר תדרי הפלסמה מגדירים כאן את הגבול בין שני ההתנהגויות הללו. מדידות ניסיוניות מאפיינות סוג סיב זה שנמשך לשלושה ממדים שונים.

בשני המקרים, ניכרת התלות של תדר הפלסמה בקוטר. לאחר צפייה בסרטון זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה לגבי אופן הייצור של מבני מטא-חומרים בעלות נמוכה ובקנה מידה תעשייתי פוטנציאלי. זכרו למתוח את סיבי השדה האינדיאני תחת מתיחה גבוהה כדי למנוע מהאינדיאן להתפרק לאורך הסיב.

הדבר מושג על ידי שמירה על טמפרטורה נמוכה, הגורמת לצמיגות גבוהה של הפולימר, ובכך משמרת את המבנה המכיל את המתכת הנוזלית.