微流控超构表面：电磁波工程的新前沿
2024-06-29 15:47:36 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在微流控超构表面中，可以通过改变液体超构原子的几何结构或液体介质的折射率来动态调节光学性质。利用液体材料的流动性，微流控超构表面在可重构性和柔韧性方面表现出卓越的性能。
超构表面（Metasurface）作为一种二维人工电磁材料，通过控制电磁波的振幅、相位和偏振，在操控电磁波方面发挥着关键作用。实现这种控制需要设计具有特定几何形状和周期性的亚波长超构原子。在微流控超构表面（Microfluidic Metasurface）中，可以通过改变液体超构原子的几何结构或液体介质的折射率来动态调节光学性质。利用液体材料的流动性，微流控超构表面在可重构性和柔韧性方面表现出卓越的性能。这些特性不仅建立了一个前沿的研究领域，而且拓宽了有源超构表面器件的应用范围。
此外，在微流控系统中集成超构表面带来了新的功能，包括增强的粒子操控和传感技术。与传统的基于固体材料的超构表面相比，微流控超构表面提供了更大的设计自由度，使其在电磁（EM）吸收、光学传感、全息显示和可调光学超构器件（如平面透镜和偏振器）等不同领域中均具有优势。
据麦姆斯咨询报道，近日，由电子科技大学的朱伟明研究员和何少伟副研究员领导的科研团队在Advanced Physics Research期刊上发表了题为“Microfluidic Metasurfaces: A New Frontier in Electromagnetic Wave Engineering”的综述文章。研究人员首先介绍了微流控超构表面的新功能，包括可重构性、柔韧性和可集成性。深入研究了这些超构表面的潜在机制、调制方法和整体功能。随后，探讨了它们在各个领域的应用，包括透镜、光束操控、全息、偏振转换、手性控制、吸收和传感。最后，讨论了微流控超构表面的未来发展。鉴于微流控技术和纳米制造技术的持续革命，研究人员预计，具有可调性和柔韧性的可重构微流控超构表面将在柔性电子、人造皮肤和有源电磁伪装等领域得到广泛应用。
微流控超构表面：超构表面与微流控芯片的集成增强了超构器件的功能
1. 微流控超构表面的新功能
微流控超构表面利用具有流动性的液体材料，既可以作为重塑或重新定义超构表面的构建块，也可以作为通过替换或混合其它液体溶液来改变折射率的介质。微流控技术的发展使得在预先设计的微通道内实现可重构的超构原子成为可能。这种柔韧性使微流控超构表面具有适应性强和可重构的结构。微流控超构表面的柔韧性使其适用于曲面应用，而无需担心机械应力下的结构损坏或分离。此外，紧凑尺寸的超构表面可以与微流控芯片集成。通过改变周围介质，这些芯片可以动态控制超构表面的光学特性，以用于生物传感等领域。因此，微流控超构表面在可重构、柔韧性和无缝集成方面具有优势，有望用于各种新的前沿应用。
可重构的微流控超构表面
具有柔韧性的微流控超构表面
集成微流控系统的超构器件
2. 微流控超构表面的应用
与传统的基于固体材料的超构表面相比，微流控超构表面提供了卓越的可重构性、柔韧性和可集成性，使其在新兴应用中极具前景。微流控超构表面的可重构性在光场操控方面提供了更大的自由度，使有源超构表面光学器件（例如透镜、光束操控元件和偏振转换器）的设计成为可能。固有的柔韧性和可拉伸性使微流控超构表面即使在弯曲的环境中也能保持稳定的性能，使其适用于电磁屏蔽、柔性电子器件和可穿戴传感器等应用。集成能力推动这些超构表面器件朝着芯片级、便携式和经济高效的方向发展，潜在的应用领域包括浓度检测、生物传感器和显示器。因此，基于微流控超构表面的广泛应用已经得到证实，包括电磁吸收器、传感器、可调谐透镜等。
基于微流控超构表面的电磁吸收器
基于微流控超构表面的光子传感器
用于可调谐透镜的微流控超构表面
用于光束操控的微流控超构表面
用于可调谐显示和全息照相的微流控超构表面
基于微流控超构表面的偏振转换器件
微流控超构表面的手性控制
总之，微流控超构表面通过操控液体超构原子或液体介质，可以精确控制其电磁特性。与传统的基于固体材料的超构表面不同，微流控变体提供了更大的设计自由度。因此，它们在尖端领域得到了应用，如电磁吸收、光学传感器、全息显示器和可调谐光学超构器件（包括平面透镜和偏振器）。
微流控超构表面目前具有有限的工作带宽（GHz或THz）和缓慢的调谐速度（赫兹或亚赫兹）。因此，它们的应用主要局限于高速调制并不重要的可调谐吸收器或其它功能可切换器件。这些挑战源于在微流控平台上产生和操控较小液体气泡的困难，以及在室温下液体材料的有限选择。然而，随着微流控系统中皮升（picolitre）液滴产生和操控技术的进步，这些超构表面将以更快的调谐速度（kHz或更高）将其能力扩展到更高的频率区域（红外或更高）。
可以预见，微流控超构表面将集成到用于浓度检测、生物传感和显示的传感器平台中，从本质上创造一个“片上实验室（lab on a chip）”。这些超构表面将产生令人兴奋的技术，包括手性粒子分选和操控，以及无显微镜生物传感器。随着微流控技术的成熟和纳米制造技术的进步，基于微流控超构表面的可调谐光学器件将在稳定性和调谐速度方面有所提高。这些进展将为新的前沿技术铺平道路，例如集成传感器、显示器、吸收器，甚至智能人工皮肤。
论文链接：https://doi.org/10.1002/apxr.202400059
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