Uma nova classe de metamateriais kirigami transformáveis ​​para sistemas eletromagnéticos reconfiguráveis

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1219 (2023) Citar este artigo

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O rápido desenvolvimento de componentes de radiofrequência (RF) requer materiais multifuncionais inteligentes que possam adaptar suas formas físicas e propriedades de acordo com o ambiente. Embora a maioria dos sistemas reconfiguráveis ​​atuais forneçam flexibilidade limitada com alto custo de fabricação, esta pesquisa propõe aproveitar as propriedades transformáveis ​​de metassuperfícies mecânicas multiestáveis ​​inspiradas no kirigami que podem se deformar repetidamente e travar em diferentes configurações para realizar uma nova classe de estruturas eletromagnéticas reconfiguráveis ​​de baixo custo com um amplo espaço de design. As metassuperfícies são formadas pelo projeto de células unitárias baseadas em cinemática com revestimento metalizado que podem fornecer propriedades eletromagnéticas ressonantes (EM) ajustáveis ​​enquanto giram umas em relação às outras. Adaptando o comprimento de corte e os parâmetros geométricos dos padrões, demonstramos a programação das topologias e formas de diferentes configurações. A influência dos parâmetros críticos na multiestabilidade estrutural é ilustrada por meio de um modelo de energia simplificado e de simulações de elementos finitos. Como exemplos de dispositivos eletromagnéticos reconfiguráveis ​​que podem ser realizados, relatamos o desenvolvimento de um dipolo de meia onda sintonizável e dois designs de superfície seletiva de frequência (FSS) apresentando respostas isotrópicas e anisotrópicas. Embora o dipolo kirigami possa ser ajustado esticando mecanicamente seus braços, os FSSs exibem espectros de transmitância e refletância distintos em cada um dos estados estáveis ​​dos padrões kirigami. A funcionalidade desses dispositivos kirigami é validada por simulações e experimentos EM de onda completa. As estruturas transformáveis ​​propostas podem ser acionadas mecanicamente para sintonizar a resposta EM em frequência ou induzir anisotropias para propagação de ondas.

A expansão da comunicação sem fio e a crescente diversidade de serviços sem fio avançados resultaram em uma demanda crescente por sistemas eletromagnéticos (EM) reconfiguráveis, capazes de suportar a mobilidade contínua dos usuários através de diferentes tecnologias de acesso sem fio. Entre os principais componentes para projetar arquiteturas de transmissores e receptores multipadrão estão antenas sintonizáveis ​​e superfícies seletivas de frequência reconfiguráveis ​​(FSSs). Na maioria dos projetos de antenas sintonizáveis ​​e FSS, a reconfigurabilidade é alcançada alterando os padrões de corrente na antena ou célula unitária de FSSs usando interruptores, como diodos de pino e interruptores microeletromecânicos (MEMSs), ou carregando as estruturas com diodos varactores, que fornecem uma capacitância controlada por tensão variável1,2,3,4. Porém, os circuitos de polarização e controle necessários para acionar esses componentes ativos aumentam a complexidade do sistema, podendo ser fonte de interferências e reflexões, além de introduzir perdas adicionais de condução, contribuindo assim para a redução do desempenho geral, principalmente em altas frequências. .

Recentemente, foram propostas novas abordagens para ajustar a resposta de componentes eletromagnéticos com base na transformação mecânica. No FSS composto por ressonadores cerâmicos com diferentes respostas de parada de banda sob incidências frontais e laterais desenvolvidas em 5, a resposta pode ser reconfigurada entre duas bandas de parada adjacentes simplesmente alterando mecanicamente a orientação dos ressonadores cerâmicos. Particularmente interessante é uma família de metamateriais mecânicos que podem explorar o comportamento de transformação de forma para ajustar suas propriedades mecânicas e dielétricas . Metamateriais mecânicos com flexibilidade estrutural superior podem ter baixa perda eletromagnética para ondas milimétricas, ao mesmo tempo que exigem custo de fabricação comparativamente baixo; isto os torna candidatos atraentes para a realização de componentes eletromagnéticos reconfiguráveis, que são cruciais para muitos setores, como as próximas gerações de sistemas de comunicações sem fio, 5G e além, suportando aplicações multimodo e multibanda10,11,12, e assim exigindo antenas reconfiguráveis ​​multifuncionais para substituir múltiplas antenas legadas de função única13,14,15,16. Sensores reconfiguráveis ​​para extração remota não destrutiva e monitoramento de várias quantidades, como deformação, material dielétrico e propriedades de líquidos 17,18, e eletrônicos vestíveis 19, onde as capacidades de remodelagem podem aumentar a adaptabilidade e conformidade da plataforma eletrônica ao corpo humano e, portanto, podem ser instrumentais para tecnologias biomédicas20,21.