Os metamateriais usando o método de fabricação Desenho de Fibra

Este procedimento tem como objetivo fabricar metamateriais de forma economicamente acessível em uma escala potencialmente industrial. Primeiro, fabrique o tubo de revestimento de PMMA no estiramento primário. Em seguida, insira o índio no orifício e estire a fibra preenchida com índio utilizando um processo de estiramento primário.

Monte o indiú empilhado, o pré-forma preenchido e um joelho em um forno a 90 graus Celsius. Prossiga com um processo de estiramento secundário para estirar o pré-forma preenchido com índio empilhado em uma fibra. Os metamateriais resultantes contêm fios de cinco mícrons separados por 50 mícrons que podem ser fabricados de forma economicamente viável em escala potencialmente industrial e apresentam resposta plasmônica na faixa de frequência de terahertz.

Outros métodos para fabricar metamateriais, como técnicas litográficas, de nanofabricação e de microfabricação, são caros e podem produzir amostras com no máximo alguns centímetros de tamanho. A principal vantagem da nossa técnica é que podemos fabricar centenas de metros de metamateriais na forma de fibra. Isso nos permite abordar questões importantes na área, como se é possível fabricar metamateriais em quantidades tecnológica e pragmaticamente relevantes.

O método específico que estamos demonstrando aqui produz metamateriais com uma resposta plasmônica no terahertz. O processo pode, em princípio, ser reduzido à escala nanométrica, gerando metamateriais com resposta no espectro visível. A inspiração para este método foi o nosso trabalho anterior sobre a fabricação de fibras com eletrodos internos para a produção de moduladores eletro-ópticos.

Recentemente percebemos que essa técnica, significativamente aprimorada, pode ser usada para criar metamateriais. Fabricar metamateriais desenhando preformas de fibras empilhadas e recheadas com material indiano é difícil de aprender. Esperamos que esta demonstração visual mostre como são os diversos elementos e as condições necessárias para puxar essas estruturas complexas até a escala micrométrica.

Richard Luin, um engenheiro, e Alessandro T, um estudante de doutorado do nosso grupo de pesquisa, demonstrarão este processo. Este método de fabricação de metamateriais envolve duas etapas de tração, nas quais cada etapa inclui miniaturização. Um objeto macroscópico chamado preforma é reduzido por tração em um forno até formar um filamento.

O processo primário de estiramento é usado para alongar ou revestir preformas até um diâmetro externo maior que um milímetro. Como orientação, utilize as condições de estiramento primário da tabela um do texto acompanhante. Para carregar a preforma na torre de estiramento, prenda o extensor superior na mandíbula de três pontos, introduza a preforma na zona quente do forno e alinhe-a utilizando o estágio micrométrico XY.

Em seguida, feche a placa superior do forno. Aumente a temperatura para 185 graus Celsius. Inicie a taxa de alimentação em cinco milímetros por minuto.

Defina a velocidade de tração em seis milímetros por minuto e feche as braçadeiras da unidade de tração. Monitore o comportamento da tensão de tração ao longo do tempo. Se houver revestimento, é necessário vácuo.

Conecte um tubo de vácuo ao extensor pré-formado de topo selado a vácuo usando massa adesiva azul. Inicie as unidades de alimentação e tração e, em seguida, aplique vácuo, monitorando a temperatura do forno e a relação entre as taxas de alimentação e tração para manter o diâmetro externo constante e a tensão de estiramento. O tubo de revestimento de polimetilmetacrilato usado para estruturar o fio de índio de um milímetro é produzido por estiramento e encapsulamento.

Tubos padrão de PMMA no processo primário de puxamento para produzir um tubo final de revestimento de PMMA com um milímetro de diâmetro interno e doze milímetros de diâmetro externo. Primeiro, corte comprimentos de 600 milímetros de tubos de PMMA com seis milímetros de diâmetro interno e doze milímetros de diâmetro externo. Prepare vários tubos de PMMA para uso futuro durante o processo de recozimento.

Coloque os tubos de PMMA em uma estufa de recozimento a 90 graus Celsius por um mínimo de cinco dias. Após os tubos de PMMA terem esfriado até a temperatura ambiente, limpe a superfície do tubo com lenços umedecidos com isopropanol e deixe secar. Em seguida, fixe o tubo de PMMA ao extensor superior utilizando fita refletiva.

Também fixe o tubo de PMMA ao extensor inferior da tração primária. Agora, puxamos o tubo de PMMA de um diâmetro externo de 12 milímetros para seis milímetros no processo de tração primária mostrado anteriormente. Aqueça e amasse uma extremidade do tubo resultante com uma pistola de ar quente e insira-o em um novo tubo de PMMA.

Para criar a vedação do conjunto de tubo de PMMA, feche a lacuna inferior entre o tubo esticado e o novo conjunto de tubo de PMMA. Com fita de PTFE, fixe a extremidade superior do conjunto de tubo de PMMA ao extensor superior usando uma camada interna de fita adesiva, uma camada intermediária de fita de PTFE e uma camada externa de fita reflexiva. Certifique-se de que a fita de PTFE esteja bem apertada e de que todas as lacunas entre o conjunto de tubo de PMMA e o extensor superior estejam vedadas, estique e enfie.

O conjunto de tubo de PMMA resultante no processo de estiramento primário sob vácuo, conforme mostrado anteriormente, passa de um diâmetro externo de 12 milímetros para seis milímetros, resultando em uma relação entre diâmetro interno e diâmetro externo de aproximadamente 0,25. Repita este processo até que o tubo final de revestimento de PMMA tenha uma relação entre diâmetro interno e diâmetro externo de aproximadamente 0,1, com um diâmetro interno de um milímetro. O processo de estiramento secundário é utilizado para esticar as pré-formas até um diâmetro externo menor que um milímetro.

Quando a temperatura de puxamento é atingida, o pré-formado começa a afinar-se para fora do forno devido ao peso do extensor inferior. Forneça a força inicial de puxamento, inicie a taxa de alimentação entre 2,5 e cinco milímetros por minuto e comece aumentando a temperatura do forno para 170 graus Celsius. Em seguida, aumente lentamente a temperatura entre 2,5 e cinco graus Celsius até 220 graus Celsius.

Para controlar a velocidade da queda, mantenha o diâmetro da fibra entre 250 e 500 mícrons. Para evitar a ruptura da fibra, fixe a fibra à roda do capstan que gira a uma velocidade baixa, inferior a um metro por minuto. Enrole a fibra ao redor das rodas reguladoras e fixe-a ao carretel de fibra.

Utilize as condições de desenho secundário no manuscrito suplementar como guia para obter as condições de desenho em estado estacionário e as dimensões finais da fibra. Para manter o diâmetro externo e a tensão de desenho constantes, monitore a temperatura do forno e a relação entre a taxa de alimentação e a taxa de desenho. O fio de índio de um milímetro será agora revestido e esticado no tubo de revestimento de PMMA no processo de desenho secundário, produzindo uma fibra preenchida com índio sem um diâmetro de um milímetro. Corte o fio de índio em comprimentos de 550 milímetros e insira no tubo de revestimento de PMMA para criar o conjunto do pré-formado preenchido com índio. Estique e revista o conjunto do pré-formado preenchido no processo de desenho secundário sob vácuo para produzir uma fibra preenchida com índio com diâmetro externo final de um milímetro, puxada sob tensão de 15 a 20 gramas.

Após a conclusão do processo de tração, remova da torre a bobina da fibra preenchida com índio, inspecione a face final e ao longo do comprimento longitudinal da fibra preenchida com índio sob um microscópio óptico. Defeitos problemáticos podem incluir separação entre o fio de índio e a interface do tubo de PMMA, flutuações no diâmetro ou trincas de fratura ao longo do comprimento da fibra. Agrupe várias fibras preenchidas com índio utilizando elásticos e insira-as no tubo de revestimento pré-formado de PMMA, garantindo que as fibras estejam retas, bem ajustadas, esticadas e encaixadas. Monte o conjunto pré-formado no processo secundário de tração sob vácuo para produzir a fibra empilhada com índio, com diâmetro externo final de 0,6 milímetros, tracionada sob uma tensão de 80 gramas.

O produto desejado é uma fibra de metamaterial contendo fios de cinco mícrons separados por 50 mícrons. Este esquema da seção transversal de uma jaqueta com múltiplas camadas mostra um único fio de índio revestido por três tubos consecutivos de PMMA. A pré-forma de fibra de PMMA de um milímetro contém um fio contínuo de índio com diâmetro de 100 mícrons.

Esta imagem de microscópio é um exemplo da seção transversal de uma fibra de metamaterial com resposta plasmônica na faixa de terahertz. A resposta plasmônica manifesta-se de tal forma que, em baixas frequências, o material se comporta como um metal, e em altas frequências como um dielétrico, sendo as frequências de plasma as responsáveis por definir o limite entre os dois comportamentos aqui. Medições experimentais caracterizam esse tipo de fibra estirada em três dimensões diferentes.

Em ambos os casos, a dependência da frequência de plasma com o diâmetro é evidente. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como fabricar estruturas de metamateriais de forma econômica e em uma escala potencialmente industrial. Lembre-se de puxar as fibras do campo indiano sob alta tensão para evitar que o indiano se rompa ao longo do comprimento da fibra.

Isso é conseguido mantendo-se uma baixa temperatura, o que resulta em uma alta viscosidade do polímero e, assim, preserva a estrutura que contém o metal líquido.