Una nuova classe di metamateriali kirigami trasformabili per sistemi elettromagnetici riconfigurabili

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1219 (2023) Citare questo articolo

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Il rapido sviluppo dei componenti a radiofrequenza (RF) richiede materiali multifunzionali intelligenti in grado di adattare le loro forme fisiche e proprietà in base all’ambiente. Sebbene la maggior parte dei sistemi riconfigurabili attuali forniscano una flessibilità limitata con costi di produzione elevati, questa ricerca propone di sfruttare le proprietà trasformabili delle metasuperfici meccaniche multistabili ispirate al kirigami che possono deformarsi e bloccarsi ripetutamente in diverse configurazioni per realizzare una nuova classe di strutture elettromagnetiche riconfigurabili a basso costo con un ampio spazio progettuale. Le metasuperfici sono formate progettando celle unitarie a base cinematica con rivestimento metallizzato in grado di fornire proprietà elettromagnetiche risonanti (EM) regolabili mentre ruotano l'una rispetto all'altra. Adattando la lunghezza di taglio e i parametri geometrici dei modelli, dimostriamo la programmazione delle topologie e delle forme di diverse configurazioni. L'influenza dei parametri critici sulla multistabilità strutturale è illustrata mediante sia un modello energetico semplificato che simulazioni agli elementi finiti. Come esempi dei dispositivi elettromagnetici riconfigurabili che possono essere realizzati, riportiamo lo sviluppo di un dipolo a semionda sintonizzabile e due progetti di superficie selettiva in frequenza (FSS) con risposte isotrope e anisotrope. Mentre il dipolo del kirigami può essere sintonizzato allungando meccanicamente i suoi bracci, gli FSS mostrano spettri di trasmittanza e riflettanza distinti in ciascuno degli stati stabili dei modelli di kirigami. La funzionalità di questi dispositivi kirigami è convalidata sia da simulazioni EM a onda intera che da esperimenti. Le strutture trasformabili proposte possono essere azionate meccanicamente per sintonizzare la risposta EM in frequenza o indurre anisotropie per la propagazione delle onde.

L’espansione della comunicazione wireless e la crescente diversità dei servizi wireless avanzati hanno portato a una crescente domanda di sistemi elettromagnetici (EM) riconfigurabili in grado di supportare la mobilità degli utenti senza soluzione di continuità attraverso diverse tecnologie di accesso wireless. Tra i componenti chiave per progettare architetture di trasmettitori e ricevitori multi-standard vi sono antenne sintonizzabili e superfici selettive di frequenza riconfigurabili (FSS). Nella maggior parte dei progetti di antenne sintonizzabili e FSS, la riconfigurabilità si ottiene modificando i modelli di corrente nell'antenna o nella cella unitaria degli FSS utilizzando interruttori, come diodi pin e interruttori microelettromeccanici (MEMS), o caricando le strutture con diodi varactor, che forniscono una capacità controllata in tensione variabile1,2,3,4. Tuttavia, i circuiti di polarizzazione e controllo necessari per pilotare questi componenti attivi aumentano la complessità del sistema e possono essere fonte di interferenze e riflessioni, oltre a introdurre ulteriori perdite di conduzione, contribuendo così alla riduzione delle prestazioni complessive, soprattutto alle alte frequenze. .

Recentemente sono stati proposti nuovi approcci per ottimizzare la risposta dei componenti elettromagnetici basati sulla trasformazione meccanica. Nella FSS composta da risonatori ceramici con diverse risposte di arresto della banda sotto incidenze frontali e laterali sviluppate in 5, la risposta può essere riconfigurata tra due bande di arresto adiacenti semplicemente modificando meccanicamente l'orientamento dei risonatori ceramici. Particolarmente interessante è una famiglia di metamateriali meccanici che possono sfruttare il comportamento di morphing della forma per ottimizzare le proprie proprietà meccaniche e dielettriche6,7,8,9. I metamateriali meccanici con flessibilità strutturale superiore possono avere una bassa perdita elettromagnetica per onde millimetriche, pur richiedendo costi di fabbricazione relativamente bassi; ciò li rende candidati interessanti per la realizzazione di componenti elettromagnetici riconfigurabili, cruciali per molti settori, come le prossime generazioni di sistemi di comunicazione wireless, 5G e oltre, che supportano applicazioni multimodali e multibanda10,11,12, e quindi che richiedono antenne riconfigurabili multifunzione per sostituire più antenne legacy a funzione singola13,14,15,16. Sensori riconfigurabili per l'estrazione remota non distruttiva e il monitoraggio di varie quantità come deformazione, materiale dielettrico e proprietà dei liquidi17,18 ed elettronica indossabile19, dove le capacità di rimodellamento possono aumentare l'adattabilità e la conformità della piattaforma elettronica al corpo umano e quindi possono essere strumentali per le tecnologie biomediche20,21.