Wytwarzanie metamateriałów przy użyciu metody wyciągania włókien

Podsumowanie

Metamateriały w częstotliwościach terahercowych oferują unikalne możliwości, jednak ich wytwarzanie w skali masowej jest trudne. Adaptujemy procedurę wytwarzania mikrostrukturalnych polimerowych światłowodów, aby tanio produkować metamateriały potencjalnie na skalę przemysłową. Wytwarzamy włókna z polimetakrylanu metylu zawierające druty indu o średnicy ~10 μm oddalone od siebie o ~100 μm, które wykazują terahercową odpowiedź plazmonową.

Streszczenie

Metamateriały to sztuczne materiały kompozytowe, wytwarzane poprzez łączenie komponentów znacznie mniejszych niż długość fali, przy której pracują ¹. Swoje właściwości elektromagnetyczne zawdzięczają strukturze swoich składników, a nie atomom, z których są zbudowane. Na przykład druty metalowe o rozmiarach podfalowych mogą być tak rozmieszczone, aby posiadały efektywną przenikalność elektryczną dodatnią lub ujemną przy danej częstotliwości, w przeciwieństwie do samych metali ². Ta bezprecedensowa kontrola nad zachowaniem światła może potencjalnie doprowadzić do stworzenia wielu nowatorskich urządzeń, takich jak płaszcze niewidzialności ³, materiały o ujemnym współczynniku załamania ⁴ oraz soczewki rozdzielające obiekty poniżej granicy dyfrakcyjnej ⁵. Jednak metamateriały pracujące przy częstotliwościach optycznych, średniej podczerwieni i terahercowych są konwencjonalnie wytwarzane za pomocą technik nano- i mikrofabrykacji, które są kosztowne i pozwalają na otrzymanie próbek o rozmiarze maksymalnie kilku centymetrów ^6-7. Przedstawiamy tutaj metodę produkcji setek metrów metamateriałów z drutów metalowych w formie włókien, które wykazują terahercową odpowiedź plazmonową ⁸. Łączymy technikę stosowania stosów i wyciągania (stack-and-draw), wykorzystywaną do produkcji mikrostrukturalnych polimerowych włókien optycznych ⁹, z procesem Taylora ¹⁰, używając drutów indolowych wewnątrz rurek z polimetakrylanu metylu (PMMA). PMMA wybrano ze względu na to, że jest to łatwy w obróbce, podatny na wyciąganie dielektryk o odpowiednich właściwościach optycznych w zakresie terahercowym; ind wybrano, ponieważ jego temperatura topnienia wynosi 156.6 °C, co jest odpowiednie do wspólnego wyciągania z PMMA. Umieszczamy drut indolowy o średnicy 1 mm i czystości 99.99% w rurce PMMA o średnicy wewnętrznej (ID) 1 mm i średnicy zewnętrznej (OD) 12 mm, która jest zamknięta z jednego końca. Z rurki wypompowywamy powietrze i wyciągamy ją do średnicy zewnętrznej 1.2 mm. Powstałe włókno jest następnie cięte na mniejsze kawałki i układane w stosie w większej rurce PMMA. Stos ten jest zamknięty z jednego końca i podawany do pieca przy jednoczesnym szybkim wyciąganiu, co redukuje średnicę struktury o czynnik 10 i zwiększa jej długość o czynnik 100. Takie włókna posiadają cechy w skali mikro- i nano, są z natury elastyczne, nadają się do produkcji masowej i mogą być tkane w celu uzyskania właściwości elektromagnetycznych niespotykanych w naturze. Stanowią one obiecującą platformę dla wielu nowatorskich urządzeń w zakresie od częstotliwości terahercowych do optycznych, takich jak niewidzialne włókna, tkane tkaniny o ujemnym współczynniku załamania oraz soczewki o superrozdzielczości.

Protokół

Przegląd

Kompozytowe włókno ind-PMMA (Rysunek 3) wytwarza się poprzez wyciąganie wiązki włókien PMMA zawierającej pojedynczy drut indu (Rysunek 2), które z kolei muszą zostać przygotowane z dostępnych rurek i drutów PMMA. Przedstawione etapy to:

1. Wytwórz włókno PMMA zawierające pojedynczy drut indolowy o średnicy odpowiedniej do ręcznego układania warstwowego. W tym celu przygotuj najpierw rurkę PMMA, która może pomieścić drut indolowy o średnicy 1 mm (Sekcja 1), a następnie wprowadź indol i wyciągnij włókno do wymaganego rozmiaru (Sekcja 2).
2. Ułóż warstwowo i wyciągnij otrzymane pojedyncze włókna PMMA wypełnione indolem (Sekcja 3) do wymaganego rozmiaru.

Sekcje 4 i 5 szczegółowo opisują procesy rysowania wykorzystane w sekcjach 2 i 3.

1. Wykonanie rurki osłonowej z PMMA

Rurka osłonowa z PMMA używana do strukturyzacji drutu indowego o średnicy 1 mm jest wykonywana poprzez rozciąganie i nakładanie standardowych rurek z PMMA w procesie pierwotnego wyciągania (Sekcja 4), aby uzyskać końcową rurkę osłonową z PMMA o średnicy wewnętrznej ID 1 mm i średnicy zewnętrznej OD 12 mm.

1. Przyciąć rurki PMMA o średnicy wewnętrznej (ID) 6 mm i średnicy zewnętrznej (OD) 12 mm do długości 600 mm. Należy przygotować kilka rurek PMMA do późniejszego wykorzystania w procesie osłaniania.
2. Wyżarzyć rurki PMMA w piecu do wyżarzania w temperaturze 90 °C przez minimum 5 dni.
3. Wyjąć jedną rurkę PMMA z pieca do wyżarzania i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
4. Oczyścić powierzchnię rurki PMMA za pomocą chusteczek nasączonych izopropanolem i pozostawić do wyschnięcia.
5. Przymocować rurkę PMMA do górnego przedłużacza (Rysunek 6) za pomocą taśmy refleksyjnej (Rysunek 7).
6. Przymocować rurkę PMMA do dolnego przedłużacza pierwszego wyciągania (Rysunek 6) za pomocą taśmy refleksyjnej (Rysunek 8).
7. Rozciągnąć rurkę PMMA w procesie pierwszego wyciągania (patrz sekcja 4). Należy pamiętać, że na tym etapie próżnia nie jest wymagana. Rurkę PMMA rozciąga się z OD 12 mm do 6 mm.
8. Zdjąć rozciągniętą rurkę z wieży wyciągowej po zakończeniu procesu.
9. Przyciąć rozciągniętą rurkę do długości 550 mm.
10. Powtórzyć kroki 1.3 i 1.4.
11. Podgrzać górną stronę rozciągniętej rurki opalarką, aż materiał zmięknie, a następnie zacisnąć otwór szczelnie za pomocą szczypiec (Rysunek 9).
12. Wsunąć rozciągniętą rurkę do nowej rurki PMMA, aby stworzyć zespół rurek PMMA (Rysunek 10). Na dolnej stronie zespołu rurek PMMA (tzn. stronie, na której wewnętrzna rozciągnięta rurka pozostaje otwarta), owinąć taśmą z politetrafluoroetylenu (PTFE), jak pokazano na Rysunku 10, aby uszczelnić szczelinę między rozciągniętą rurką a nową rurką PMMA.
13. Przymocować górny koniec zespołu rurek PMMA (tzn. stronę, na której wewnętrzna rozciągnięta rurka jest zamknięta) do górnego przedłużacza (Rysunek 7), stosując wewnętrzną warstwę taśmy klejącej, środkową warstwę taśmy PTFE i zewnętrzną warstwę taśmy refleksyjnej. Należy upewnić się, że taśma PTFE jest mocno zaciśnięta, a wszystkie szczeliny między zespołem rurek PMMA a górnym przedłużaczem są uszczelnione.
14. Przymocować rurkę PMMA do dolnego przedłużacza pierwszego wyciągania zgodnie z opisem w punkcie 1.6.
15. Rozciągnąć i osłonić zespół rurek PMMA w procesie pierwszego wyciągania z zastosowaniem próżni (patrz sekcja 4). Zespół rurek PMMA jest rozciągany z OD 12 mm do 6 mm.
16. W rezultacie otrzymana rozciągnięta rurka osłonowa PMMA będzie miała stosunek ID/OD około 0,25. Powtarzać kroki od 1.9 do 1.15, aż końcowa rurka osłonowa PMMA uzyska stosunek ID/OD około 0,1 przy ID wynoszącym 1 mm (Rysunek 1).

2. Wytwarzanie włókna wypełnionego indem

Drut indowy o średnicy 1 mm zostaje umieszczony i rozciągnięty w rurce osłonce z PMMA wykonanej w Sekcji 1, przy użyciu procesu wtórnego wyciągania (Sekcja 5), w celu wytworzenia włókna wypełnionego indem o końcowej średnicy zewnętrznej 1,2 mm.

1. Przygotować i poddać wyżarzaniu rurki osłonowe z PMMA, zgodnie z opisem w punktach 1.1 – 1.4.
2. Odciąć drut indowy na odcinki o długości 550 mm.
3. Wprowadzić drut indowy do rurki osłonowej z PMMA, aby utworzyć zespół preformy wypełnionej indem, jak pokazano na Rysunku 11.
4. Uszczelnić dolną stronę rurki osłonowej z PMMA, zgodnie z opisem w punkcie 1.11.
5. Przymocować zespół preformy wypełnionej indem do górnego przedłużnika, jak pokazano w punkcie 1.13, oraz do dolnego przedłużnika wtórnego wyciągania, jak pokazano w punkcie 1.14.
6. Rozciągnąć i osłonić zespół preformy wypełnionej indem w procesie wtórnego wyciągania w próżni w celu wytworzenia włókna wypełnionego indem (patrz Sekcja 5) o końcowej średnicy zewnętrznej OD 1 mm, wyciąganego pod napięciem 15-20 g.
7. Zdjąć szpulę z włóknem wypełnionym indem z wieży po zakończeniu procesu wyciągania.
8. Zbadać czoło oraz długość wzdłużną włókna wypełnionego indem za pomocą mikroskopu świetlnego. Krytyczne defekty mogą obejmować rozwarstwienie na styku drutu indowego i rurki z PMMA, wahania średnicy drutu lub pęknięcia wzdłuż długości włókna. Obrazy włókna wypełnionego indem z mikroskopu optycznego przedstawiono na Rysunku 2, ukazując ciągły drut indowy o średnicy 100 μm w włóknie z PMMA o OD 1 mm.
9. Powtarzać czynności od 2.1 do 2.8 aż do uzyskania wystarczającej ilości włókna wypełnionego indem do wykonania preformy z warstw indu.

3. Wytwarzanie stosu włókien indowych

Włókno z warstwowym indem wytwarza się poprzez uprzednie ułożenie włókien wypełnionych indem, przygotowanych w Sekcji 2, w większej rurce osłonowej preformy z PMMA, która następnie zostaje rozciągnięta i uformowana do pożądanych wymiarów włókna przy użyciu procesu wtórnego wyciągania (Sekcja 5).

1. Przygotować rurkę osłonową preformy PMMA zgodnie z instrukcją w punkcie 1.1. Na potrzeby demonstracji zostanie użyta rurka PMMA o średnicy zewnętrznej (OD) 12 mm i średnicy wewnętrznej (ID) 9 mm.
2. Uciąć włókna wypełnione indem na długość 550 mm.
3. Oczyścić powierzchnię rurki osłonowej preformy PMMA oraz włókno wypełnione indem za pomocą chusteczek nasączonych izopropanolem i pozostawić do wyschnięcia.
4. Związać włókna wypełnione indem gumkami recepturkami i wprowadzić je do rurki osłonowej preformy PMMA, upewniając się, że włókna są proste i ściśle dopasowane (Rysunek 12).
5. Poddać zespół ułożonej preformy procesowi wyżarzania w piecu do wyżarzania w temperaturze 90 °C przez minimum 5 dni.
6. Wyjąć zespół ułożonej preformy z pieca do wyżarzania i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
7. Przymocować zespół preformy wypełnionej indem do górnego przedłużnika zgodnie z punktem 1.13 oraz do dolnego przedłużnika wtórnego procesu wyciągania zgodnie z punktem 1.14.
8. Rozciągnąć i osłonić zespół ułożonej preformy w wtórnym procesie wyciągania w próżni, aby wytworzyć włókno z ułożonym indem (patrz sekcja 5). Włókno jest rozciągane do końcowej średnicy zewnętrznej (OD) 0,6 mm pod napięciem 80 g, co pozwala uzyskać włókno metamateriałowe zawierające druty 5 mm oddzielone od siebie o 50 μm. Obraz przekroju poprzecznego otrzymanego włókna wykonany za pomocą mikroskopu optycznego przedstawiono na Rysunku 3.
9. Zdjąć szpulę włókna z ułożonym indem z wieży po zakończeniu procesu wyciągania.
10. Obejrzeć czoło oraz całą długość podłużną włókna z ułożonym indem, zgodnie z instrukcją w punkcie 2.8 (Rysunek 3).

4. Proces pierwszego wyciągu

Podstawowy proces wyciągania jest stosowany do rozciągania preform do średnic zewnętrznych przekraczających 1 mm. Poniższa procedura jest wykorzystywana w sekcji 1: Wykonywanie rurki osłonowej z PMMA.

1. Zamocuj preformę w wieży wyciągowej, przytwierdzając górny przedłużacz do uchwytu trójszczkowego. Wprowadź preformę do strefy grzewczej pieca (Rysunek 13). Wycentruj preformę, korzystając z mikrometrycznego stołu XY. Zamknij górną płytę pieca.
2. Etap wstępnego podgrzewania podnosi temperaturę przekroju poprzecznego preformy do temperatury wyciągania, zgodnie z profilem temperaturowym przedstawionym na Rysunku 14.
3. Rozpocznij proces wyciągania, zwiększając temperaturę do 185 °C, ustawiając prędkość podawania na 5 mm/min, prędkość wyciągania na 6 mm/min i zamykając zaciski jednostki wyciągowej. Obserwuj zmianę naprężenia wyciągania w czasie (Rysunek 15).
   • Jeśli naprężenie rośnie wykładniczo, zatrzymaj jednostki podawania i wyciągania, odczekaj 1 min, aby preforma nagrzała się do temperatury wyciągania, a następnie ponownie uruchom jednostki podawania i wyciągania. Powtarzaj test, aż naprężenie się ustabilizuje.
   • Jeśli naprężenie spada, zwiększ prędkość wyciągania o 1-2 mm/min. Kontynuuj zwiększanie prędkości wyciągania w przyrostach 1-2 mm/min (dopóki naprężenie pozostaje stałe lub zaczyna spadać), aż do osiągnięcia wymaganej prędkości wyciągania.
4. Jeśli wymagana jest próżnia, przymocuj rurkę próżniową do uszczelnionego próżniowo górnego przedłużacza preformy za pomocą masy Blu-Tac (Rysunek 13). Włącz próżnię po uruchomieniu jednostek podawania i wyciągania, aby zapewnić symetryczne wyciąganie preformy.
5. Podczas wyciągania preformy kieruj się podstawowymi warunkami wyciągania podanymi w Tabeli 1. Należy monitorować temperaturę pieca oraz stosunek prędkości podawania do prędkości wyciągania, aby utrzymać stałą średnicę zewnętrzną (OD) oraz naprężenie wyciągania. Należy pamiętać, że orientacyjną średnicę zewnętrzną wyciągniętego włókna można wyznaczyć z równania bilansu masy,
   D_final = D_start (F/D)^1/2
   gdzie D_final to końcowa średnica włókna, D_start to początkowa średnica preformy, F to prędkość podawania, a D to prędkość wyciągania. Zatrzymaj podawanie i wyciąganie oraz wyłącz piec po zakończeniu obróbki preformy. Zdejmij preformę z wieży wyciągowej po jej ochłodzeniu do temperatury pokojowej.

5. Proces drugiego poboru

Proces wtórnego wyciągania jest stosowany do rozciągania preform do średnic zewnętrznych mniejszych niż 1 mm. Poniższa procedura jest wykorzystywana w Sekcji 2: Wytwarzanie włókna wypełnionego indem oraz Sekcji 3: Wytwarzanie włókna z warstwami indu.

1. Ładowanie preformy do wtórnego wyciągania przebiega tak samo, jak w procesie wyciągania pierwotnego (Krok 4.1).
2. Etap wstępnego podgrzewania dla wtórnego wyciągania jest taki sam, jak w procesie wyciągania pierwotnego (Krok 4.2).
3. Preforma zaczyna się zwężać po osiągnięciu temperatury wyciągania. Preforma opada przez dół pieca pod wpływem ciężaru dolnego przedłużacza, który zapewnia początkową siłę wyciągania (Rysunek 16).
4. Uruchomić prędkość podawania (2,5 - 5 mm/min) i zacząć zwiększać temperaturę pieca (2,5 - 5 °C), aby kontrolować prędkość opadania. Średnicę włókna należy utrzymywać na poziomie około 250 - 500 μm, aby zapobiec jego zerwaniu.
5. Przymocować włókno do koła prowadzącego, które początkowo obraca się z niską prędkością poniżej 1 m/min. Nawinąć włókno na koła tancerze i przymocować do szpuli na włókno.
6. Jeśli wymagana jest próżnia, należy podłączyć rurkę próżniową, jak pokazano w punkcie 4.4.
7. Wyciąganie włókna będzie początkowo odbywać się w warunkach przejściowych. Ustawić prędkość podawania, prędkość wyciągania i temperaturę pieca na pożądane wartości warunków wyciągania. Średnica włókna i naprężenie wyciągania będą ulegać wahaniom, aż po kilku minutach zostanie osiągnięty stan stacjonarny.
8. Podczas wyciągania preformy należy kierować się warunkami wtórnego wyciągania podanymi w Tabeli 2. Należy pamiętać, że temperaturę pieca oraz stosunek prędkości podawania do prędkości wyciągania trzeba monitorować, aby utrzymać stałą średnicę zewnętrzną (OD) i naprężenie wyciągania.
9. Zatrzymać proces zgodnie z instrukcją w punkcie 4.5.

Wyniki

Włókna metamateriałowe zostały wykonane przy użyciu opisanego techniki. Zostały one złożone z preformy z włókien PMMA o średnicy 1 mm zawierających ciągłe druty indują o średnicy 100 μm, przedstawionej na Rysunku 2, które z kolei zostały wyciągnięte z preformy z drutów indują o średnicy 1 mm zawartych w polimerowej osłonie o średnicy 10 mm, wytwarzanej poprzez nakładanie rurek polimerowych o odpowiednich rozmiarach, co przedstawiono na schemacie na Rysunku 1. Obraz mikroskopowy przekroju...

Dyskusja

Przedstawiona tutaj technika umożliwia wytwarzanie kilometrów ciągłych trójwymiarowych metamateriałów o rozmiarach cech w skali mikro, wykazujących odpowiedź plazmoniczną (a tym samym dostosowaną przenikalność elektryczną) w zakresie THz, co sprawia, że działają one efektywnie jako filtr górnoprzepustowy. Może to zostać zcharakteryzowane eksperymentalnie za pomocą terahertzowej spektroskopii w dziedzinie czasu ¹¹. Takie metamateriały w formie włókien mogą być cięte i układane w stosy w celu uzyskania materiałó...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Drut indu 99,99%, średnica 1 mm	Cel specjalistyczny	Dostępne na żądanie	www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf
2-propanol (izopropanol)	Sigma-Aldrich	Numer produktu 190764	http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086
Taśma klejąca	Zszywki
Taśma PTFE One Wrap, 5 ml x 12 mm szer. x 0,2 mm gr.	RS Components	Numer katalogowy RS 231-964	http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/
Aluminiowa taśma foliowa o grubości 50 mikronów	Zaawansowane taśmy klejące	AT506	http://www.advancetapes.com/Products/types/9/page1/81
Blu-tak	Bostik		http://www.blutack.com/index.html
Araldite Quick Set	Selleys		http://selleys.com.au/adhesives/household-adhesive/araldite/quick-set
probówki z PMMA: - średnica wewnętrzna (ID) 6 mm, średnica zewnętrzna (OD) 12 mm - średnica wewnętrzna (ID) 9 mm, średnica zewnętrzna (OD) 12 mm	B M Plastics: Obróbka tworzyw sztucznych	Dostępne na żądanie	http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm
Wymagania sprzętowe
Wieża do wyciągania światłowodów z piecami o temperaturach maksymalnych wynoszących co najmniej 200 °C (wieża do wyciągania polimerów Heathway z urządzeniami do wytwarzania preform i wyciągania włókien). Fotografia wieży do wyciągania przedstawiona jest w Rycina 5. Piec do wyżarzania o temperaturze maksymalnej co najmniej 90 °C. Mikroskop optyczny. Opalarka. Pompa próżniowa. Górny przedłużacz preformy (metalowa rurka o długości 30 cm i średnicy 12 mm). Dolny przedłużacz do wyciągania pierwotnego (metalowa rurka o długości 100 cm i średnicy 12 mm). Dolny przedłużacz do drugiego przeciągania (rurka PMMA o długości 20 cm i średnicy 12 mm).