Изготовление метаматериалов с использованием метода вытяжки
18 октября 2012 г.
Метаматериалы на частотах терагерцового предлагают уникальные возможности, но и бросают вызов для изготовления упаковки. Мы адаптируем изготовления процедура микроструктурированный полимерных оптических волокон для изготовления метаматериалов недорого потенциально в промышленных масштабах. Мы производим полиметилметакрилата волокон, содержащих ~ 10 мкм в диаметре индия проводов, разделенных ~ 100 мкм, которые проявляют терагерцового плазмонных ответ.
Данная процедура направлена на недорогое изготовление метаматериалов в потенциально промышленном масштабе. Сначала изготовите оболочечную трубку из ПММА методом первичной вытяжки. Затем поместите индий в отверстие и вытяните волокно, заполненное индием, используя процесс первичной вытяжки.
Поместите собранную заготовку с заполненным индием сердечником и колено в печь при температуре 90 °C. Выполните процесс вторичного вытягивания, чтобы превратить заготовку с заполненным индием сердечником в волокно. Полученные метаматериалы содержат проволоки диаметром 5 micron с интервалом 50 microns; такие материалы могут быть недорого изготовлены в потенциально промышленном масштабе и демонстрируют плазмонный отклик в терагерцовом диапазоне частот.
Другие методы изготовления метаматериалов, такие как методы литографии, нано- и микрофабрикации, являются дорогостоящими и позволяют создавать образцы размером максимум в несколько сантиметров. Основным преимуществом нашего метода является возможность изготовления сотен метров метаматериалов в форме волокна. Это позволяет решать важные вопросы в данной области, например, возможность создания метаматериалов в технологически и практически значимых масштабах.
Особый метод, который мы здесь демонстрируем, позволяет получать метаматериалы с плазмонным откликом в терагерцовом диапазоне. В принципе, этот процесс можно масштабировать до наноуровня, создавая метаматериалы с откликом в видимом спектре. В основу этого метода легла наша предыдущая работа по вытяжке волокон с внутренними электродами для создания электрооптических модуляторов.
Недавно мы обнаружили, что эта модифицированная техника может быть использована для создания метаматериалов. Изготовление метаматериалов путем вытяжки преформ из многослойных волокон с наполнением из индия представляет собой сложный процесс. Мы надеемся, что эта визуальная демонстрация позволит наглядно представить различные элементы и условия, необходимые для вытяжки таких сложных структур до микронного масштаба.
Этот процесс продемонстрируют инженер Ричард Луин и Алессандро Т., аспирант нашей исследовательской группы. Данный метод изготовления метаматериалов включает два этапа вытяжки, на каждом из которых происходит миниатюризация. Макроскопический объект, называемый преформой, вытягивается в печи до состояния нити.
Первичный процесс вытяжки используется для вытягивания или формирования гильз из заготовок до достижения внешнего диаметра более одного миллиметра. В качестве ориентира используйте условия первичной вытяжки, указанные в таблице 1 прилагаемого текста. Для установки заготовки на вытяжную башню закрепите верхний удлинитель в трехкулачковом патроне, введите заготовку в горячую зону печи и выровняйте ее с помощью микрометрического столика по осям XY.
Затем закройте верхнюю плиту печи. Поднимите температуру до 185 °C. Установите скорость подачи пять мм/мин.
Установите скорость вытягивания на 6 mm/min и закройте зажимы вытягивающего узла. Следите за изменением натяжения вытягивания с течением времени. При появлении эффекта «рукава» (sleeving) потребуется вакуумирование.
Прикрепите вакуумную трубку к герметичной верхней части удлинителя заготовки с помощью клейкой массы Blue Tack. Запустите механизмы подачи и вытяжки, затем создайте вакуум; контролируйте температуру печи и соотношение скоростей подачи и вытяжки для поддержания постоянного внешнего диаметра и натяжения при вытяжке. Таким образом, оболочечная трубка из полиметилметакрилата, используемая для структурирования индиевого провода диаметром 1 мм, изготавливается методом растяжения и надевания.
Стандартные трубки из ПММА в процессе первичной вытяжки для получения итоговой оболочечной трубки из ПММА с внутренним диаметром 1 мм и внешним диаметром 12 мм. Сначала нарежьте трубки из ПММА с внутренним диаметром 6 мм и внешним диаметром 12 мм длиной по 600 мм. Подготовьте несколько трубок из ПММА для последующего использования в процессе отжига.
Поместите трубки из ПММА в печь для отжига при температуре 90 °C минимум на пять дней. После охлаждения трубок до комнатной температуры очистите поверхность трубки из ПММА салфетками, смоченными в изопропаноле, и дайте ей высохнуть. Затем прикрепите трубку из ПММА к верхнему удлинителю с помощью отражающей ленты.
Также прикрепите трубку из ПММА к нижнему удлинителю первичной вытяжки. Теперь мы вытягиваем трубку из ПММА, уменьшая ее внешний диаметр с 12 мм до 6 мм в процессе первичной вытяжки, описанном ранее. Термически обжмите один конец полученной трубки с помощью фена и вставьте ее в новую трубку из ПММА.
Для создания сборки из трубки ПММА герметизируйте нижний зазор между растянутой трубкой и новой сборкой из трубки ПММА. С помощью тефлоновой ленты (PTFE) прикрепите верхний конец сборки из трубки ПММА к верхнему удлинителю, используя внутренний слой клейкой ленты, средний слой тефлоновой ленты и внешний слой отражающей ленты. Убедитесь, что тефлоновая лента плотно прилегает и все зазоры между сборкой из трубок ПММА и верхним удлинителем герметизированы, растяните и наденьте кожух.
В результате процесса первичного вытягивания под вакуумом, показанного ранее, диаметр трубки из ПММА уменьшается с 12 мм до 6 мм, что приводит к соотношению внутреннего диаметра к внешнему примерно 0,25. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока соотношение внутреннего диаметра к внешнему окончательной оболочечной трубки из ПММА не составит примерно 0,1 при внутреннем диаметре 1 мм. Процесс вторичного вытягивания используется для растяжки заготовок до внешнего диаметра менее 1 мм.
При достижении температуры вытяжки заготовка начинает сужаться на выходе из печи под действием веса нижнего удлинителя. Для обеспечения начального усилия вытяжки установите скорость подачи от 2,5 до 5 мм/мин и начните с повышения температуры печи до 170 °C. Затем медленно поднимайте температуру с шагом 2,5–5 °C до достижения 220 °C.
Для контроля скорости спуска поддерживайте диаметр волокна в диапазоне от 250 до 500 микрон. Чтобы предотвратить обрыв волокна, закрепите его на кабестане, который вращается с низкой скоростью — менее одного метра в минуту. Обмотайте волокно вокруг танцбуйков и подсоедините к катушке с волокном.
Используйте условия вторичного вытягивания, указанные в сопроводительной рукописи, в качестве руководства для достижения стационарного режима вытягивания и конечных размеров волокна. Для поддержания постоянного внешнего диаметра и натяжения при вытягивании контролируйте температуру печи и соотношение между скоростью подачи и скоростью вытягивания. Индиевая проволока диаметром 1 мм теперь будет помещена в оболочку и вытянута в трубке из ПММА в процессе вторичного вытягивания для получения волокна с индиевым наполнителем диаметром менее 1 мм. Разрежьте индиевую проволоку на отрезки длиной 550 мм и вставьте их в трубку-оболочку из ПММА для создания сборки преформы с индиевым наполнителем; вытяните сборку наполненной преформы в оболочке в процессе вторичного вытягивания в вакууме, чтобы получить волокно с индиевым наполнителем с конечным внешним диаметром 1 мм при натяжении от 15 до 20 г.
После завершения процесса вытяжки снимите катушку волокна, заполненного индием, с башни, осмотрите торцевую поверхность и продольную часть волокна, заполненного индием, под световым микроскопом. Критическими дефектами могут быть отслоение между индиевой проволокой и интерфейсом трубки из ПММА, колебания ширины диаметра или трещины вдоль всей длины волокна. Свяжите несколько волокон, заполненных индием, с помощью резинок и вставьте их в предварительно сформированную оболочечную трубку из ПММА, убедившись, что волокна расположены прямо и плотно прилегают друг к другу. Растяните и зафиксируйте. Полученную сборку преформы подвергните процессу вторичной вытяжки в вакууме, чтобы создать многожильное волокно с индием с конечным внешним диаметром 0.6 мм, вытягивая его под натяжением 80 г.
Конечным продуктом является метаматериальное волокно, содержащее пять микропроволок с расстоянием 50 micron между ними. На данной схеме поперечного сечения многослойной оболочки показана одна индиевая проволока, заключенная в три последовательных слоя ПММА-трубок. Преформа из ПММА-волокна диаметром one millimeter содержит непрерывную индиевую проволоку диаметром 100 micron.
Это микроскопическое изображение представляет собой пример поперечного сечения волокна из метаматериала с плазмонным откликом в терагерцовом диапазоне. Плазмонный отклик проявляется в том, что при низких частотах материал ведет себя как металл, а при высоких — как диэлектрик, при этом плазменные частоты определяют границу между этими двумя режимами поведения. Экспериментальные измерения характеризуют данный тип волокна, вытянутого до трех различных размеров.
В обоих случаях очевидна зависимость плазменной частоты от диаметра. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как недорого и потенциально в промышленном масштабе изготавливать структуры из метаматериалов. Не забывайте вытягивать индийные волокна под сильным натяжением, чтобы предотвратить разрыв индия по всей длине волокна.
Это достигается путем поддержания низкой температуры, что приводит к высокой вязкости полимера и, следовательно, сохраняет структуру, удерживающую жидкий металл.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной работе представлен метод недорогого изготовления метаматериалов терагерцового диапазона с использованием микроструктурированных полимерных оптических волокон. Процесс заключается в создании волокон из полиметилметакрилата (ПММА) с внедренными индиевыми проволоками, которые проявляют плазмонный отклик в терагерцовом диапазоне.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Метаматериалы
- Терагерцовые частоты
- Оптические волокна
Теоретическая часть
- Метаматериалы обладают уникальными свойствами на терагерцовых частотах.
- Массовое производство таких материалов представляет собой сложную задачу.
- Микроструктурированные полимерные оптические волокна могут быть адаптированы для этой цели.
- Индиевые проволоки могут усилить плазмонный отклик.
Цель исследования
- Разработать экономически эффективный метод изготовления метаматериалов.
- Обеспечить возможность потенциального промышленного производства.
- Исследовать плазмонные свойства полученных материалов.
Используемые методы
- Изготовление оболочки из ПММА при первичной вытяжке.
- Введение индия в волокно в процессе вытяжки.
- Процесс вторичной вытяжки для создания окончательной структуры волокна.
- Характеристика плазмонного отклика в терагерцовом диапазоне частот.
Основные результаты
- Успешно изготовлены волокна, содержащие индиевые проволоки.
- Проволоки имеют диаметр ~10 μm и расположены с интервалом ~100 μm.
- Продемонстрирован плазмонный отклик в терагерцовом диапазоне частот.
- Возможность промышленного производства данных метаматериалов.
Выводы
- Данный метод представляет собой практически осуществимый подход к созданию метаматериалов.
- Волокна, заполненные индием, демонстрируют перспективные плазмонные свойства.
- Эта технология может привести к достижениям в области применения терагерцового излучения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Данный метод обеспечивает масштабируемое и недорогое изготовление волокон из метаматериалов с регулируемым электромагнитным откликом, устраняя основное препятствие при переходе от лабораторных метаматериалов к промышленному применению. Создание сотен метров гибких тканых метаматериалов способствует раннему изучению устройств сенсорики, визуализации и связи в терагерцовом диапазоне, имеющих значение для оборонного сектора, безопасности, а также для биомедицинских исследований и разработок. Этот подход снижает зависимость от дорогостоящей литографии, предлагая способ минимизации рисков при валидации целей и разработке анализа за счет создания воспроизводимых и совместимых с платформой материалов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет исследовать биомолекулярные взаимодействия в терагерцовом диапазоне с помощью платформ на основе плазмонных метаматериалов.
- Практическая ценность: предоставляет стандартизированные гибкие подложки для безмаркерного детектирования конформационных изменений белков или нуклеиновых кислот.
- Прогностическая ценность: способствует снижению механистических рисков за счет корреляции структурных параметров с функциональными электромагнитными характеристиками.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: создание настраиваемых плазмонных резонансов для applications мультиплексного терагерцового биосенсинга.
- Практическая ценность: получение волокон, пригодных для массового производства и совместимых с форматами высокопроизводительного скрининга.
- Масштабируемость: возможность производства материалов метрового масштаба для обеспечения стабильности результатов анализа между различными партиями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: обеспечивает связь между этапом разработки материалов в ходе фундаментальных исследований и доклиническим прототипированием носимых или имплантируемых терагерцовых датчиков.
- Системы, релевантные заболеваниям: способствует изучению диагностики на основе метаматериалов в средах, имитирующих ткани организма.
- Прогресс с учетом рисков: позволяет проводить итерационную оптимизацию свойств материалов перед переходом к дорогостоящей валидации in vivo.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Метод вытягивания волокна вписывается в континуум от открытия до доклинических исследований, позволяя быстро итерировать дизайн метаматериалов для применения в биосенсорике, особенно на этапах валидации мишеней и оптимизации анализа, где требуются воспроизводимые и настраиваемые электромагнитные интерфейсы.
- Биологические исследования: Обеспечивает проверку гипотез о биомолекулярной динамике, опосредованной терагерцовым излучением, с помощью сконструированных плазмонных откликов.
- Скрининг: Предоставляет стандартизированные гибкие подложки с постоянным шагом и диаметром проводников для получения надежных показателей сигнала.
- Аналитика: Позволяет проводить количественные измерения пропускания и отражения в терагерцовом диапазоне для оценки кинетики связывания или структурных изменений.
- Трансляционные исследования: Устанавливает связь между наноразмерными характеристиками материала и функциональностью устройств микромасштаба для создания доклинических прототипов.
- Корпоративное повторное использование: Создает многоразовую платформу для формирования библиотек метаматериалов в рамках множества проектов, работающих с терагерцовыми частотами.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Прогностическая уверенность в терагерцовом отклике за счет точного контроля геометрии и расстояния между проволоками.
- Операционная ценность: Воспроизводимость и масштабируемость благодаря вытяжке волокна, что снижает вариативность между партиями.
- Стратегическая ценность: Снижение затрат на материалы и ускорение циклов прототипирования повышают эффективность использования капитала в проектах на ранних стадиях.
- Влияние на портфель: Позволяет принимать решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) на основе масштабируемых характеристик метаматериалов, а не ограниченных данных по отдельным образцам.
Особенности реализации
- Опыт в области вытяжки полимерных волокон и контроля тепловых процессов.
- Наличие вытяжной башни с возможностью создания вакуума и температурным зонированием.
- Стандартизация процедур укладки и герметизации преформ между исследовательскими группами.
- Особенности адаптации для альтернативных материалов сердцевины (например, биосовместимых металлов) или полимеров оболочки.
- Ограничения включают минимальное разрешение элементов, обусловленное коэффициентом вытяжки, и стабильность интерфейса между материалами сердцевины и оболочки.
