基于自动绘图机的纸基超材料

       来自中国的研究人员利用计算机引导导电墨水和自动铅笔的运动，成功在纸上制作出超材料。他们展示了三种超材料的制作过程，其中一种可用于飞机和船只的“隐身”，从而躲避雷达信号的追踪。该技术有望降低柔性超材料的生产成本，并简化其制作流程。

       超材料是一种人工结构，通常由安装在基板上的大量微小谐振器组成，其电磁响应不取决于材料本身的属性，而是依赖于谐振器的参数和排列。通过利用这种奇异的材料可以制作出自然材料无法实现的设备，比如隐身衣和超构透镜等。正是因为用纸作为制作原料而不是其他电介质且没有采用化学刻蚀，通过该技术制作的器件具备尺寸小、柔性高、成本低、更环保等一系列优势，在微波和电子学的其他领域也有应用前景。

       在最新的研究中，南京大学的研究团队设计了一种新的自动化方案来制造这种纸基超材料，他们用一台计算机控制的绘图机取代了技术成熟但价格昂贵的喷墨打印。这台机器使用三个步进电机在一张纸上移动钢笔，并与之接触，从而使含有导电墨水的钢笔在纸的表面描绘出一个导体网格。

图1 绘图机引导导电墨水笔在一张纸上描出导体，然后用机械铅笔添加电阻。

       紧接着将其放到电炉中一到两个小时，使墨水变干后进行第二轮绘制。本次绘制中，研究人员用一直机械铅笔代替了导电墨水笔，它里面有一条由石墨和粘土的特定混合物制成的可伸缩的铅，其作用是在超材料网格上添加电阻。

       团队负责人指出，这种绘制电阻的方法比较复杂，因为要想达到一个特定的电阻率需要控制许多因素，涉及石墨-粘土比例、纸张的纹理、绘制路径的速度以及电阻的尺寸。另一个关键因素是施加在铅笔上的压力，研究人员通过测量在不同压力下画出的方块形电阻，绘制电阻-压力关系图来进行优化。

       研究人员选用了市场上售卖的厚度为0.22毫米、相对介电常数为2.3纸张。他们表示，基于这种纸张的超材料可以通过将其密封在塑料薄膜中而变得更加耐用，特别是由0.065毫米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的薄膜效果更为显著。

       该团队使用绘图机制造了三种纸基超材料。一种超材料可作为偏振转换器，研究人员发现它能够将线偏振微波的平面旋转90°，在3.5 GHz的频率范围内具有90%的转换效率。另一种超材料则作为宽带吸收器，重量仅为58.3克，在2.1 GHz至10.5 GHz频率范围内可吸收90%的辐射。

        除此之外，该小组演示了所谓的共形编码超表面，它可以应用到某个物体表面，以减少反射雷达波的功率，从而使物体不容易被探测到。这种超表面共包含两层，其中一层由墨水笔绘制，包括大量具有两个不同方向的C型分裂谐振环，以便对反射波的相位进行0和1的编码。另一层由铅笔绘制，以形成吸收入射能量的电阻环。

图2 保形编码超表面由两层组成：铅笔绘制的电阻方环（左上），以及墨水笔绘制的具有两个不同方向的 "C "形（左下）。

       当超表面弯曲在金属圆柱体周围时，它不仅吸收了来自入射波的部分能量，而且反射波的立体角范围要比不覆盖的圆柱体更大。与此同时，编码允许表面反射特性的连续变化——实验中使用的0和1的随机序列产生漫反射。这些机制的综合作用效果导致，当入射波介于9到12 GHz之间时，与不覆盖超表面的圆柱体相比，反射功率减少了10倍。

       研究人员发现，三种类型的超材料的实验结果与模拟数据非常一致。他们认为，这种一致性 "证明了绘图技术的可行性和可靠性"。他们补充道，保形表面的性能也显示了纸作为柔性基材的前景。

       团队负责人指出，虽然纸很轻，柔性较高，但它也非常脆弱，不如其他类型的电介质耐用。不过，如果这些限制能够被克服，该技术有望应用于诸多实际场景。比如作为可以吸收移动电话和其他电器辐射的装置，以减少对用户的潜在有害影响，这种保护装置可以通过喷在纸上的少量粘合剂附着在人的皮肤上。