Metamateriali Realizzazione tramite il metodo di disegno fibra

Questa procedura ha lo scopo di produrre in modo economico metamateriali su una scala potenzialmente industriale. Per prima cosa, fabbricare il tubo di rivestimento in PMMA durante la trazione principale. Successivamente, inserire l'indio nel foro e tirare la fibra riempita di indio utilizzando un processo di trazione primaria.

Assemblare l'indio stratificato, il preforma riempito e un ginocchio in un forno a 90 gradi Celsius. Procedere con un processo di trafilazione secondario per trafilare il preforma riempito di indio stratificato in una fibra. I metamateriali risultanti contengono fili di cinque micron separati da 50 micron che possono essere fabbricati a basso costo su scala potenzialmente industriale e mostrano una risposta plasmonica nell'intervallo di frequenza del terahertz.

Altri metodi per la fabbricazione di metamateriali, come le tecniche litografiche e di micro e nanofabbricazione, sono costosi e possono produrre campioni di dimensioni per lo più ridotte a pochi centimetri. Il vantaggio principale della nostra tecnica è che possiamo fabbricare centinaia di metri di metamateriali in forma di fibra. Ciò ci permette di affrontare questioni importanti nel settore, come ad esempio se sia possibile produrre metamateriali in quantità tecnologicamente e praticamente rilevanti.

Il particolare metodo che stiamo qui dimostrando produce metamateriali con una risposta plasmonica nel terahertz. Il processo, in linea di principio, può essere ridotto su scala nanometrica, ottenendo metamateriali con una risposta nello spettro visibile. L'ispirazione per questo metodo è derivata dal nostro precedente lavoro sulla produzione di fibre con elettrodi interni per realizzare modulatori elettro-ottici.

Abbiamo recentemente capito che questa tecnica, opportunamente estesa, potrebbe essere utilizzata per creare metamateriali. La fabbricazione di metamateriali mediante il tiro di preforme costituite da fibre indiane impilate è difficile da apprendere. Speriamo che questa dimostrazione visiva mostri l'aspetto dei vari elementi e le condizioni necessarie per tirare queste strutture complesse fino a scala micrometrica.

Protagonisti di questa procedura saranno Richard Luin, un ingegnere, e Alessandro T, uno studente di dottorato del nostro gruppo di ricerca. Questo metodo di fabbricazione di metamateriali prevede due fasi di trafilazione, in cui ogni fase comporta una riduzione dimensionale. Un oggetto macroscopico chiamato preforma viene trafilato in un forno fino a formare un filamento.

Il processo di trafilazione primario viene utilizzato per allungare o rivestire i preforme fino a un diametro esterno superiore a un millimetro. Come riferimento, utilizzare le condizioni di trafilazione primaria indicate nella tabella uno del testo allegato. Per montare il preforme sulla torre di trafilaggio, fissare l'estensione superiore nel mandrino a tre ganasce, inserire il preforme nella zona calda del forno e allinearlo mediante la piattaforma micrometrica XY.

Quindi chiudere la piastra superiore del forno. Aumentare la temperatura a 185 gradi Celsius. Avviare la velocità di alimentazione a cinque millimetri al minuto.

Impostare la velocità di estrazione a sei millimetri al minuto e chiudere le morse dell'unità di estrazione. Monitorare l'andamento della tensione di estrazione nel tempo. Se si esegue l'isolamento, è richiesto il vuoto.

Collegare un tubo a vuoto al prolungatore preformato sigillato ermeticamente mediante colla blu. Avviare le unità di alimentazione e trazione, quindi applicare il vuoto, monitorare la temperatura del forno e il rapporto tra le velocità di alimentazione e trazione per mantenere costanti il diametro esterno e la tensione di trazione. Il tubo di rivestimento in polimetilmetacrilato utilizzato per strutturare il filo di indio di un millimetro viene prodotto mediante stiramento e rivestimento.

Tubi standard in PMMA nel processo primario di trafilazione per produrre un tubo finale in guaina di PMMA di un millimetro di diametro e dodici millimetri di diametro esterno. Tagliare innanzitutto lunghezze di 600 millimetri di tubi in PMMA con un diametro interno di sei millimetri e un diametro esterno di 12 millimetri. Preparare diversi tubi in PMMA per un uso futuro durante il processo di trafilazione.

Posizionare i tubi in PMMA in un forno di ricottura a 90 gradi Celsius per un minimo di cinque giorni. Dopo che i tubi in Anil si sono raffreddati a temperatura ambiente, pulire la superficie del tubo in PMMA con salviette imbevute di isopropanolo e lasciare asciugare. Successivamente, fissare il tubo in PMMA all'estensione superiore utilizzando nastro riflettente.

Collegare inoltre il tubo in PMMA all'estensione inferiore del dispositivo di trafilaggio primario. Ora si trafiletta il tubo in PMMA da un diametro esterno di 12 millimetri a 6 millimetri nel processo di trafilaggio primario mostrato in precedenza. Riscaldare e schiacciare con un soffiatore termico un'estremità del tubo ottenuto e inserirla in un nuovo tubo in PMMA.

Per creare la guarnizione dell'assiemaggio del tubo in PMMA, sigillare il giunto inferiore tra il tubo stirato e il nuovo assiemaggio del tubo in PMMA. Con nastro in PTFE, fissare l'estremità superiore dell'assiemaggio del tubo in PMMA all'estensione superiore utilizzando uno strato interno di nastro adesivo, uno strato centrale di nastro in PTFE e uno strato esterno di nastro riflettente. Assicurarsi che il nastro in PTFE sia ben stretto e che tutti i giunti tra l'assiemaggio del tubo in PMMA e l'estensione superiore siano sigillati, stirare e infilare.

L'assemblaggio del tubo in PMMA ottenuto nel processo primario di estrazione sotto vuoto, come mostrato in precedenza, passa da un diametro esterno di 12 millimetri a sei millimetri, ottenendo un rapporto tra diametro interno e diametro esterno di circa 0,25. Ripetere questo processo fino a quando il tubo finale in PMMA rivestito presenta un rapporto tra diametro interno e diametro esterno di circa 0,1, con un diametro interno di un millimetro. Il processo secondario di estrazione viene utilizzato per allungare le preforme fino a un diametro esterno inferiore a un millimetro.

Quando viene raggiunta la temperatura di trafilazione, la preforma inizia a restringersi fuori dal forno a causa del peso del prolungatore inferiore. Fornire una forza iniziale di trafilazione, impostare la velocità di alimentazione da 2,5 a cinque millimetri al minuto e iniziare aumentando la temperatura del forno a 170 gradi Celsius. Successivamente, aumentare lentamente la temperatura da 2,5 a cinque gradi Celsius fino a 220 gradi Celsius.

Per controllare la velocità della discesa, mantenere il diametro della fibra compreso tra 250 e 500 micron. Per evitare la rottura della fibra, fissarla alla ruota del tamburo che ruota a una velocità lenta inferiore a un metro al minuto. Avvolgere la fibra attorno alle ruote oscillanti e collegarla alla bobina della fibra.

Utilizzare le condizioni di trafilazione secondaria descritte nel manoscritto allegato come guida per ottenere le condizioni di regime e le dimensioni finali della fibra. Per mantenere costanti il diametro esterno e la tensione di trafilazione, monitorare la temperatura del fornetto e il rapporto tra la velocità di alimentazione e quella di trazione. Il filo di indio di un millimetro verrà ora inserito all'interno del tubo di rivestimento in PMMA e stirato nel processo di trafilazione secondaria per produrre una fibra riempita di indio con un diametro finale di un millimetro. Tagliare il filo di indio in lunghezze di 550 millimetri e inserirlo nel tubo di rivestimento in PMMA per creare l'insieme del preforma riempita. Stirare e rivestire l'insieme del preforma riempita nel processo di trafilazione secondaria sotto vuoto per ottenere una fibra riempita di indio con un diametro esterno finale di un millimetro, trafilata sotto una tensione compresa tra 15 e 20 grammi.

Al termine del processo di trafilazione, rimuovere dalla torre la bobina di fibra riempita di indio, ispezionare la faccia terminale e tutta la lunghezza longitudinale della fibra riempita di indio al microscopio ottico. Difetti problematici possono includere separazione tra il filo di indio e l'interfaccia del tubo in PMA, fluttuazioni del diametro o crepe di frattura lungo la lunghezza della fibra. Raggruppare molte fibre riempite di indio utilizzando fasce di gomma e inserirle nel tubo di rivestimento preformato in PMMA, assicurandosi che le fibre siano dritte, ben aderenti, tese e correttamente inserite. Assemblare la preforma stratificata per il processo secondario di trafilazione sotto vuoto, per ottenere una fibra stratificata di indio con un diametro esterno finale di 0,6 millimetri, trafilata sotto una tensione di 80 grammi.

Il prodotto desiderato è una fibra in materiale metamateriale contenente fili di cinque micron separati da 50 micron. Questo schema della sezione trasversale di una guaina multipla mostra un singolo filo di indio inserito in tre tubi consecutivi di guaina in PMMA. La preforma di una fibra in PMMA di un millimetro contiene un filo continuo di indio del diametro di 100 micron.

Questa immagine al microscopio rappresenta un esempio di sezione trasversale di una fibra in materiale metamorfico con risposta plasmonica nell'intervallo delle onde terahertz. La risposta plasmonica si manifesta in modo tale che a basse frequenze il materiale si comporta come un metallo, mentre ad alte frequenze si comporta come un dielettrico, con le frequenze di plasma che definiscono qui il confine tra i due comportamenti. Misure sperimentali caratterizzano questo tipo di fibra realizzata in tre diverse dimensioni.

In entrambi i casi, è evidente la dipendenza della frequenza plasmatica dal diametro. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come fabbricare strutture metamateriali in modo economico e su una scala potenzialmente industriale. Ricorda di tirare le fibre del campo indiano sotto alta tensione per evitare che l'indiano si frantumi lungo la lunghezza della fibra.

Questo si ottiene mantenendo una bassa temperatura, il che comporta un'elevata viscosità del polimero e, di conseguenza, preserva la struttura che contiene il metallo liquido.