Поглинач на водній основі, повністю діелектричний, для друку Наукові звіти
Предмети
Анотація
Фазова взаємодія між електричними та магнітними диполями однакової амплітуди, що генеруються виключно всіма діелектричними структурами, представляє інтригуючу парадигму в маніпулюванні електромагнітною енергією. Тут ми пропонуємо цілісну реалізацію, пропонуючи маршрут виробництва добавок та пов'язані з цим принципи проектування, які дозволяють програмувати та виготовляти синтетичні багатоструктурні мікроструктури. У свою чергу, ми складаємо, виготовляємо та експериментально перевіряємо перші демонструвані повністю діелектричні електромагнітні широкосмугові поглиначі з 3D-принтом, які вказують на шлях до обходу технічних обмежень звичайних конфігурацій метало-діелектричного поглинача. Одним із ключових нововведень є судовий розподіл дисперсійної м’якої речовини з високою діелектричною проникністю, такої як вода, у низькоелектричній матриці для посилення поглинання хвилі на шкалі зменшеної довжини. Частково ці результати розширюють обіцянку адитивного виробництва та ілюструють потужність оптимізації топології для створення ретельно продуманих магнітних та електричних реакцій, які, безсумнівно, знайдуть нові застосування в електромагнітному спектрі.
Вступ
Перспективним шляхом забезпечення надійної діамагнітної реакції, яка відповідає його електричному аналогу, є використання діелектричних частинок з високим показником діапазону довжин хвиль, які, як було показано, підтримують стійкий магнітний та електричний диполярний резонанс 10,11. Запропонована за принципом Гюйгенса 12,13, запропонована структура пропонує потенційні рішення для проектування ефективних одношарових метаматеріалів та нашого тлумачення, ідеального широкосмугового поглинача. Основний принцип полягає в тому, що якщо частинка демонструє критичну комбінацію спектрально перекриваючих чисто магнітних та електричних диполярних резонансів однакової сили, довільний контроль над полем розсіювання може бути гарантований при освітленні плоскою хвилею. Зокрема, напрямок цього розсіяного поля залежить виключно від фазових залежностей кожної частинки 14,15 .
У цій роботі ми експериментально перевірили цей підхід, продемонструвавши 3d друкований ідеальний електромагнітний поглинач, імпеданс якого відповідає широкому діапазону частот, що прокладає шлях до обходу основних меж звичайних металево-діелектричних конфігурацій. Ключовим нововведенням є сприяння за допомогою топологічної оптимізації дисперсійної м’якої речовини з високою діелектричною проникністю води у межах 3D-друкованої матриці з низьким діелектриком для створення спеціальної ЕМ-реакції. Ця концепція відкриє можливості для додавання додаткових функціональних можливостей до метаматеріалів та метаповерхневих конструкцій 16,17, що мають постійно зростаючі можливості у виробництві добавок, обмежуючим фактором була безпосередня доступність високодиелектричних матеріалів для друку/заміни. В даний час поліетиленові друковані діелектрики з високим індексом комерційно не існують, хоча були зроблені деякі зусилля для створення полімерних композицій BaTiO3/ABS з плавленим осадженням з проникністю до 8 3 .
На відміну від традиційних застосувань першої умови Керкера 18 - матеріалу, що відповідає імпедансу, що відповідає ідеальному вторинному джерелу Гюйгенса, ми охоплюємо часто упускається з уваги компонент втрат і зосереджуємось на розробці механізму, за допомогою якого ми можемо відокремити вимогу відповідності імпедансу від дисперсійного відповіді. Завдяки навмисному розподілу рідини всередині структури ми можемо викликати специфічну електричну та магнітну дипольну поведінку. Зокрема, падаюче поле ефективно з'єднується з водою без відбиття на межі розділу, забезпечуючи повне поглинання енергії ЕМ. Ми самостійно контролюємо поступові розміри та розташування крапель води в приймальній структурі, забезпечуючи перекриття декількох посилених електричних та магнітних резонансів, забезпечуючи широкосмугові частотні характеристики. Ці властивості ще не досягнуті і неможливі за допомогою звичайних однорідних архітектур або композицій з одноядерною оболонкою 19 .
Незважаючи на те, що в цій конструкції обрано воду, запропонований підхід є загальним, що підкреслює потенціал АМ та високодиелектричних матеріалів для синтезу багатошарових одношарових метаматеріалів, ніж може забезпечити складні електромагнітні відповіді з урахуванням цього. Дійсно, для даного дизайну вода є природним вибором, що забезпечує необхідну функціональність, зберігаючи при цьому об'єм, терморегульована, оптично прозора, рясна, біосумісна і перемикається 20. Як повністю діелектрична структура, запропонований підхід буде працювати для мікрохвиль високої потужності, де поглинаючі пристрої з металевими компонентами є проблематичними через дугу 21, також можливо. Інші практичні реалізації, які б виграли від цієї технології, включають оптично прозорі ЕМ-поглиначі та електромагнітну екранізацію, яка вимагає повітряного охолодження, що є побічним продуктом конструкції. Слід зазначити, що хоча запропонована тут 2d-z-інваріантна конструкція може бути виготовлена із застосуванням субтрактивного виготовлення або лиття під тиском завдяки загальному розпорядку конструкції, AM забезпечує найбільшу гнучкість виготовлення, а також функціональність на замовлення.
Обговорення
Наш аналіз починається з теоретичних умов, необхідних для повного поглинання нормально падаючих плоских хвиль нескінченним 1d періодичним масивом вигаданих електричних та магнітних диполів, як встановлено теорією антени 22,23. Цей масив складається з одиничних елементів з періодом підхвилі α що при електромагнітному освітленні індукують електричний стор і магнітний дипольний момент м. Ці моменти взаємно ортогональні з відповідними компонентами, вирівняними вздовж напрямків електричного та магнітного падаючих полів. Як передбачено принципом Гюйгенса, цей масив моментів може створювати симетрично випромінюючі вторинні плоскі хвилі однакової амплітуди в переданих і відбитих напрямках 23,24, які можуть бути виражені