Raporturi științifice pentru imprimare pe bază de apă, complet dielectric
Subiecte
Abstract
Interacțiunea fazelor dintre dipoli electrici și magnetici suprapusi cu amplitudine egală generată exclusiv de structuri dielectrice prezintă o paradigmă intrigantă în manipularea energiei electromagnetice. Aici, oferim o implementare holistică prin propunerea unei rute de fabricație aditivă și a principiilor de proiectare asociate care permit programarea și fabricarea microstructurilor sintetice multi-materiale. La rândul său, compunem, fabricăm și validăm experimental primele absorbante electromagnetice de bandă largă electromagnetice, care se indică în mod 3D, demonstrabile, care indică drumul spre eludarea limitărilor tehnice ale configurațiilor convenționale de absorbție metal-dielectrică. Una dintre inovațiile cheie este distribuirea judiciară a unei substanțe moi dispersive cu o constantă dielectrică ridicată, cum ar fi apa, într-o matrice cu dielectricitate scăzută pentru a spori absorbția undelor la o scară de lungime redusă. În parte, aceste rezultate extind promisiunea producției aditive și ilustrează puterea optimizării topologiei pentru a crea răspunsuri magnetice și electrice atent elaborate, care vor găsi cu siguranță noi aplicații în spectrul electromagnetic.
Introducere
O cale promițătoare pentru asigurarea unui răspuns diamagnetic robust pentru a se potrivi cu omologul său electric este utilizarea particulelor dielectrice cu lungime de undă înaltă cu indice ridicat, care s-au dovedit a susține o rezonanță magnetică și electrică robustă dipolară 10,11. Împuternicită cu principiul 12.13 al lui Huygens, structura propusă oferă soluții potențiale pentru proiectarea metamaterialelor eficiente cu un singur strat și interpretarea noastră a acestora, un absorbant perfect în bandă largă. Principiul de bază este că, dacă o particulă prezintă o combinație critică de rezonanțe dipolare magnetice și electrice pure suprapuse spectral, cu rezistență egală, controlul arbitrar asupra câmpului de împrăștiere poate fi garantat sub iluminarea undei plane. În special, direcția acestui câmp împrăștiat depinde numai de relațiile de fază ale fiecărei particule 14.15 .
În această lucrare, verificăm experimental această abordare, demonstrând un absorbant electromagnetic perfect imprimat în 3D, care este egal cu impedanța pe o gamă largă de frecvențe, deschizând calea pentru a ocoli limitele fundamentale ale configurațiilor metalice-dielectrice convenționale. O inovație cheie este facilitarea prin optimizarea topologiei a unei substanțe moi dispersive cu o constantă dielectrică ridicată, apă, într-o matrice cu dielectric redus tipărit 3D pentru a crea un răspuns EM adaptat. Acest concept va deschide posibilități de a adăuga funcționalități suplimentare proiectelor metamateriale și meta-suprafețe 16,17, ajutate de capacitățile din ce în ce mai mari în fabricația aditivă, factorul limitativ fiind disponibilitatea directă a materialelor imprimabile/substituibile cu dielectricitate ridicată. În prezent, dielectricele cu indice ridicat imprimabile cu polijet nu există în comerț, deși s-au făcut unele eforturi pentru a crea compozite polimerice BaTiO3/ABS imprimabile cu depunere topită cu permitivități de până la 8 3 .
Spre deosebire de aplicațiile tradiționale ale primei condiții 18 a lui Kerker, aceea a unui material potrivit cu impedanța care corespunde unei surse secundare ideale Huygens, adoptăm componenta de pierdere deseori ignorată și ne concentrăm asupra dezvoltării unui mecanism prin care putem decupla cerința de potrivire a impedanței de materialul dispersiv răspunsuri. Prin distribuția deliberată a fluidului în structură, putem induce un comportament specific dipol electric și magnetic. Mai exact, câmpul incident este cuplat în mod eficient în apă fără reflexie la interfață, asigurând absorbția completă a energiei EM. Controlăm independent dimensiunile treptate și amplasarea picăturilor de apă în structura gazdă, asigurându-se că rezonanțele electrice și magnetice îmbunătățite multiple se suprapun, obținând răspunsuri de frecvență în bandă largă. Aceste proprietăți nu au fost încă realizate și nu sunt posibile doar de la arhitecții convenționali omogeni sau compoziții cu un singur nucleu 19 .
Deși apa este aleasă în acest design, abordarea propusă este una generală, subliniind potența materialelor AM și dielectrice ridicate pentru a sintetiza metamateriale multistrate monostrat decât pot produce răspunsuri electromagnetice complexe. Într-adevăr, pentru proiectul dat apa este o alegere naturală care oferă funcționalitatea necesară, în timp ce este conservatoare de volum, reglabilă termic, transparentă din punct de vedere optic, abundentă, biocompatibilă și comutabilă 20. Ca o structură complet dielectrică, abordarea propusă va funcționa pentru microundele de mare putere, unde dispozitivele de absorbție cu componente metalice sunt problematice din cauza arcului 21, este, de asemenea, fezabilă. Alte implementări practice care ar beneficia de această tehnologie includ amortizoare EM transparente optic și ecranare electromagnetică care necesită răcire cu aer, un produs secundar al designului. Trebuie remarcat faptul că, deși designul invariant z 2d propus aici ar putea fi fabricat folosind fabricarea subtractivă sau turnarea prin injecție datorită generalismului rutinei de proiectare AM oferă cea mai mare flexibilitate de fabricație, precum și funcționalitate de proiectare la cerere.
Discuţie
Analiza noastră începe cu condițiile teoretice necesare pentru absorbția totală a undelor plane în mod normal incidente de o matrice periodică infinită 1d de dipoli electrici și magnetici fictivi, așa cum este stabilit de teoria antenei 22,23. Această matrice este compusă din elemente unitare cu perioadă de lungime de undă α care sub iluminare electromagnetică induc un electric și momentul dipol magnetic m. Aceste momente sunt reciproc ortogonale, cu componentele corespunzătoare aliniate de-a lungul direcțiilor câmpului incidentului electric și magnetic. Așa cum este prescris de principiul lui Huygens, această matrice de momente poate crea unde radiante simetrice secundare cu amplitudine egală în direcțiile transmise și reflectate 23,24, care pot fi exprimate prin