Metamateriały – przyszłość druku przestrzennego?

Pojęcie metamateriału stosowano początkowo do opisu materiałów wykazujących nietypowe właściwości optyczne. Tego typu materiały zawierają powtarzające się struktury o wielkości porównywalnej lub mniejszej od długości fali elektromagnetycznej. Co najbardziej istotne, właściwości metamateriałów wynikają raczej z ułożenia i budowy wspomnianych struktur niż ze składu chemicznego.

Mimo kilku spektakularnych osiągnięć w otrzymywaniu optycznych metamateriałów, takich jak supersoczewki czy urządzenia szumnie nazywane „pelerynami niewidkami” (invisibility cloaks), raczej nie zostaną one szybko upowszechnione. Otrzymywanie struktur o rozmiarach mniejszych od długości światła widzialnego jest bardzo trudne i kosztowne, a wytwarzane z nich urządzenia są niedoskonałe i działają zwykle tylko dla fal świetlnych o określonej długości.

Od kilku lat pojęcie metamateriału jest jednak coraz bardziej obszerne. Do utworzenia materiałów o nieklasycznych właściwościach optycznych konieczne jest wytworzenie struktur nanometrowej wielkości. Inne właściwości materiałów, np. elastyczne, akustyczne czy termiczne, powiązane są z falami o znacznie większych długościach – mikro- lub centymetrowymi. Uzyskanie struktur o takich rozmiarach jest już zdecydowanie łatwiejsze, co daje nadzieję na upowszechnienie się metamateriałów również w produktach konsumenckich.

Szczególną rolę w rozwoju metamateriałów odegrać może technologia druku 3D, dzięki której możliwe jest już wytwarzanie elementów w skali mikro. Na okładce listopadowego wydania magazynu Science znalazły się struktury opracowane i wydrukowane przez naukowców z Karlsruher Institut für Technologie (KIT) oraz Université de Bourgogne Franche-Comté. Ich szczególną cechą jest uleganie skręceniu w wyniku nacisku. Mikrometrowe struktury wytworzono ze światłoutwardzalnej emulsji (fotorezystu) korzystając z drukarki Nanoscribe Photonic Professional GT. Pracę należy uznać za pokaz możliwości technicznych, ale naukowcy zaznaczają, że podobne struktury mogą znaleźć zastosowanie w projektowaniu lekkich materiałów o zwiększonej wytrzymałości.

Można powiedzieć, że metamateriały, choć w skali centymetrowej, trafiły już nawet do produkcji seryjnej. W opisywanych już wcześniej butach Adidas Futurecraft 4D zastosowano podeszwę wykonaną ze stosunkowo sztywnego materiału, a jednocześnie bardzo elastyczną. Wynika to ze specyficznej struktury przypominającej siatkę, która dodatkowo różni się zagęszczeniem pomiędzy poszczególnymi „strefami funkcjonalnymi” podeszwy.

Ciekawym zastosowaniem makroskopowych metamateriałów są jednoelementowe mechanizmy wytwarzane przez pracowników Hasso Plattner Institut w Poczdamie. Udało im się wydrukować m.in. działającą klamkę do drzwi i kombinerki (z jednego elementu!). Naukowcy stworzyli nawet specjalny program ułatwiający projektowanie metamateriałowych mechanizmów.

Tworzenie metamateriałów o niezwykłych właściwościach, również w skali mikro, jest już w zasięgu drukarek 3D. Ograniczeniem do ich szerszego wykorzystania są koszty produkcji i brak odpowiedniego oprogramowania do ich projektowania. Gdy tylko uda się pokonać te przeszkody (co zapewne nastąpi niebawem), metamateriały odmienią postrzeganie inżynierii materiałowej.

źródła: fabbaloo.com, science.sciencemag.org, hpi.de