” Esistono nuove e abbondanti opportunità per l’esplorazione.”
Ricercatori coreani dell’Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan stanno esplorando una fabbricazione digitale più complessa e, su due diversi livelli, delineati nella recente stampa 3D e 4D per ottica e metafonia .
Gli autori esplorano gli ultimi progressi compiuti dai ricercatori nella stampa 3D e 4D, principalmente per quanto riguarda la nanofotonica e la metafotonica, per quanto riguarda i materiali, il design, le applicazioni e altre aree come le strutture riconfigurabili.
Man mano che la stampa 3D diventa più accessibile e più economica in tutto il mondo, gli utenti a molti livelli stanno diventando consapevoli dei vantaggi, dalla maggiore velocità e maggiore efficienza alla capacità di personalizzare le parti in quasi tutte le applicazioni correlate, insieme al potenziale per la fabbricazione digitale di geometrie molto più complesse e altamente funzionali.
Oggi, la stampa 3D viene anche utilizzata per la creazione di componenti ottici e strutture metapotoniche, cosa ancora più importante, senza assemblaggio richiesto in seguito. Le parti ottiche possono essere unite lungo la direzione “fuori piano” e possono anche essere stampate su superfici non piane. Le opportunità di personalizzazione possono essere illimitate e, poiché i progetti sono semplificati, lo spreco di materiali diminuisce in modo significativo.
“Inoltre, la stampa 3D può essere utile per fabbricare strutture metafotoniche. La metafotonica offre un controllo senza precedenti dei campi elettromagnetici in materiali e strutture ingegnerizzati, in un modo non realizzabile con l’ottica convenzionale ”, affermano i ricercatori. “Pertanto, la metafotonica richiede spesso strutture 3D non convenzionali e complesse”.
La stampa 4D aggiunge sicuramente una svolta affascinante al mondo della fabbricazione digitale, poiché i materiali possono essere sorprendentemente flessibili e versatili, deformandosi secondo necessità (e come programmati, ritenendoli “materiali intelligenti”) e in base all’ambiente, indipendentemente dal fatto che si tratti di umidità, temperatura o altri fattori. Le strutture attive 4D possono essere utilizzate nella creazione di prodotti come:
attuatori
Interruttori
sensori
Strutture schierabili
Robotica
Dispositivi medici
“Inoltre, la stampa 4D può essere applicata a strutture ottiche e a microonde attive”, affermano i ricercatori.
Nanoparticelle funzionali integrate
Filamenti e inchiostri per antenne e componenti a microonde
Materiali intelligenti per la stampa 4D
In termini di design e applicazioni, gli autori realizzano i “vantaggi speciali” della stampa 3D e 4D rispetto a metodi più convenzionali, sebbene molti produttori possano essere ancora riluttanti ad abbracciare tale nuova tecnologia. L’uso di componenti ottici a forma libera sta già diventando popolare oggi, anche se a causa dei vantaggi di numerose applicazioni ottiche come la realtà aumentata e la realtà virtuale .
“Recentemente, uno specchio parabolico con rugosità superficiale su scala nanometrica (circa 3 nm) è stato fabbricato utilizzando SLA”, hanno affermato i ricercatori. “Il suo profilo del fascio focalizzato era quasi identico al raggio di uno specchio fabbricato tramite la tradizionale fresatura a diamante.
“Le parti ottiche sono state stampate utilizzando SLA e una stampante per cera, quindi è stato rivestito e polimerizzato con UV un gel di miscela polimerica composto da metacrilati, acrilati e polimeri a base di uretano.”
È possibile creare guide d’onda ottiche e dispositivi optoelettronici, insieme a metamateriali ottici, componenti terahertz, metamateriali a microonde e altro ancora.
La stampa 4D mostra il potenziale in un’ampia varietà di applicazioni, ma può offrire opportunità speciali nella creazione di strutture ottiche e a microonde, con la capacità di trasformare nanofotonica e metafotonica in:
Dispositivi fotonici attivi
Sensori ottici
Displays
antenne
“Con materiali biocompatibili (come gli idrogel), dispositivi fotonici impiantabili e sensibili agli stimoli possono essere sviluppati per applicazioni biomediche”, hanno concluso i ricercatori. “Ci sono nuove opportunità abbondanti per le indagini. Ad esempio, è stato recentemente dimostrato che un dimero di microsfere acquose ha indotto un forte potenziamento del campo nel gap sull’incidenza delle microonde.
“Gli idrogel sono costituiti principalmente da acqua (> 99%) e sono comunemente utilizzati nella stampa 4D. Pertanto, potrebbero esserci interessanti opportunità di ricerca che coinvolgono la combinazione di funzioni reattive agli stimoli con la risposta a microonde in strutture di idrogel stampate in 3D. “
“La nostra recensione può essere utile per i ricercatori delle comunità di nanofotonica e metafotonica che desiderano conoscere idee e sviluppi recenti nella stampa 3D e 4D.”
Prospettive future (A) Schema per la stampa 3D con inchiostro metallico con sinterizzazione laser IR. (B) bobine elicoidali indipendenti (diametro: 500 μm). (C) Farfalle stampate con ali autoportanti. Adattato dal rif. [138]. Copyright (2016) National Academy of Sciences. (D) Il plasma si forma tra due granuli di uva (o idrogel), a causa del forte potenziamento del campo a microonde nel gap. Adattato dal rif. [139]. Copyright (2019) National Academy of Sciences. 
Stampa 3D per metamateriali a microonde e ottica di trasformazione. (A) Reticolo simil-diamante composto solo da ABS (a destra) e ABS + BaTiO3 composito (a sinistra). (B) Campioni composti da aree alternate di ABS e ABS + BaTiO3 che sono stampati usando un ugello a doppia estrusione. (C) Reticolo a diamante realizzato in ABS con filamento di ferrite NiZn al 10% vol. Adattato dal rif. [98]. Copyright (2015) The Royal Society Publishing. (D) Campione di PLA-SRR dopo placcatura elettrolitica selettiva su una struttura in ABS (inserto: dispersione anti-risonante per bi-anisotropia). Adattato dal rif. [99]. Copyright (2017) Pubblicazione AIP. (E) Sinistra: schema di una lente GRIN con regioni di permittività relativa bassa (blu) e alta (bianca) e fotografia del corno corto con lente GRIN stampata in 3D. A destra: modello sperimentale di radiazione dell’obiettivo GRIN. Adattato dal rif. [100]. Copyright (2016) John Wiley & Sons (F) Fotografia di un obiettivo Luneberg planare stampato in 3D. Adattato dal rif. [101]. Copyright (2018) Pubblicazioni ACS. (G) Antenna con lente di Luneburg stampata in 3D (inserto: schema della cella dell’unità cubica). Adattato dal rif. [102]. Copyright (2014) IEEE. (H) Fotografia di una lente di governo del fascio stampata in 3D e della distribuzione misurata del campo elettrico per l’antenna dell’obiettivo. Adattato dal rif. [103]. Copyright (2016) Pubblicazione IOP. 
Stampa 3D per componenti ottici e optoelettronici. (A) Specchio parabolico stampato in 3D dopo lisciatura e deposizione di alluminio. Adattato dal rif. [71]. Copyright (2018) Nature Publishing Group. (B) Sinistra: immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di un elemento ottico sub-micrometrico stampato su una fibra monomodale (barre di scala: 25 μm). A destra: topografia misurata mediante interferometria ottica di una lente sferica con uno spessore della lente di 250 μm, un raggio di curvatura di 85,77 μm. Adattato dal rif. [72]. Copyright (2016) Nature Publishing Group. (C) Sinistra: quattro diversi obiettivi composti FOV sullo stesso sensore di immagine CMOS e l’immagine SEM di un obiettivo doppietto stampato in 3D. A destra: confronto di immagini di simulazione e misurazione attraverso un obiettivo a singolo composto con FOV di soli 70 ° (a sinistra) e con 20 °, 40 °, 60 °, 70 ° (a destra). Adattato dal rif. [73]. Copyright (2017) AAAS. (D) Illustrazione che spiega l’interconnessione ottica tra due nanorodi ZnO (Z1, Z2) attraverso un nanofilo di polistirene (P1). Adattato dal rif. [88]. Copyright (2016) John Wiley & Sons. (E) Sinistra: vista schematica del sistema di stampa 3D. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. (D) Illustrazione che spiega l’interconnessione ottica tra due nanorodi ZnO (Z1, Z2) attraverso un nanofilo di polistirene (P1). Adattato dal rif. [88]. Copyright (2016) John Wiley & Sons. (E) Sinistra: vista schematica del sistema di stampa 3D. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. (D) Illustrazione che spiega l’interconnessione ottica tra due nanorodi ZnO (Z1, Z2) attraverso un nanofilo di polistirene (P1). Adattato dal rif. [88]. Copyright (2016) John Wiley & Sons. (E) Sinistra: vista schematica del sistema di stampa 3D. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. Z2) attraverso un nanofilo di polistirolo (P1). Adattato dal rif. [88]. Copyright (2016) John Wiley & Sons. (E) Sinistra: vista schematica del sistema di stampa 3D. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. Z2) attraverso un nanofilo di polistirolo (P1). Adattato dal rif. [88]. Copyright (2016) John Wiley & Sons. (E) Sinistra: vista schematica del sistema di stampa 3D. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. La parte di ingrandimento rappresenta un metodo di stampa 3D ispirato alla guida della luce di una fibra ottica. A destra: struttura elicoidale in cui la luce è guidata e trasmessa. Adattato dal rif. [75]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (F) Sinistra: schema della struttura del fotorilevatore. Al centro: fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. Fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. Fotografia della matrice concentrica di fotorilevatori stampata sulla superficie interna di una cupola di vetro emisferica. A destra: caratteristiche IV del fotorilevatore sulla cupola di vetro emisferica. Adattato dal rif. [76]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. 
Stampa 4D con materiali intelligenti. (A) Struttura stampata in 4D che trasforma la sua forma da una linea 1D in un cubo 3D. Adattato dal rif. [14]. Copyright (2014) John Wiley & Sons. (B) Il processo di memoria di forma del telaio cubico in poliuretano drogato nero carbone con illuminazione leggera di 87 mW / cm2. Adattato dal rif. [29]. Copyright (2017) John Wiley & Sons. Copyright (2016) Nature Publishing group. (C) Struttura stampata in 3D che imita l’insetto. Il comportamento alla deformazione della struttura in acqua a 30 ° C viene mostrato nel tempo. L’immagine nell’angolo in basso a destra è la struttura completamente recuperata nell’acqua a 60 ° C. Adattato dal rif. [16]. (D) Le fotografie della memoria di forma hanno favorito l’effetto autorigenerante. Le immagini inserite sono le immagini del microscopio ottico con una barra di scala di 1 mm. Adattato dal rif. [30]. Copyright (2018) Pubblicazioni ACS. (E) Struttura stampata in 4D a base di idrogel (barra della scala: 1 cm). Adattato dal rif. [31]. Copyright (2017) John Wiley & Sons. (F) Deformazione sequenziale di una struttura LCE multi-materiale. Con l’ingegneria molecolare, sono state realizzate diverse temperature di attuazione (barra della scala: 5 mm). Adattato dal rif. [32]. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (G) Struttura stampata in 4D che combinava LCE con PDMS per ottica adattiva. Le immagini mostrano la griglia osservata a diverse temperature. Adattato dal rif. [33]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (G) Struttura stampata in 4D che combinava LCE con PDMS per ottica adattiva. Le immagini mostrano la griglia osservata a diverse temperature. Adattato dal rif. [33]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. Copyright (2019) John Wiley & Sons. (G) Struttura stampata in 4D che combinava LCE con PDMS per ottica adattiva. Le immagini mostrano la griglia osservata a diverse temperature. Adattato dal rif. [33]. Copyright (2018) John Wiley & Sons. 
Materiali conduttivi per applicazioni a microonde. (A) Fotografia di un’antenna stampata in 3D. (B) Spettro del coefficiente di riflessione dell’antenna stampata in 3D. Ristampato dal rif. [26]. Copyright (2015) IEEE. (C) Immagine delle antenne a cavità Mills-Cross stampate in 3D. Il lato sinistro è una cavità di ricezione e quello destro è una cavità di trasmissione. (D) Aperture composite sintetizzate per l’imaging di una matrice a dispersione di punti. (E) Immagine ricostruita dell’array mediante l’algoritmo di imaging computazionale. Ristampato dal rif. [27]. Copyright (2017) IEEE. (F) Stampa 3D di ponteggi conduttivi utilizzando un solvente CNT / PLA. (G) Grafico dell’ETE medio SE del modello solido (cioè riempito) e dell’impalcatura con diversi carichi CNT nell’intervallo della banda X. Ristampato dal rif. [28]. Copyright (2017) Elsevier. 
Stampa 3D con nanomateriali funzionali. (A) Immagini TEM di diverse dimensioni (15, 39, 58, 79 nm) di nanoprismi d’argento. (B) Fotografia di inchiostri pluronici Pluronic F-127 con diverse dimensioni di nanoprismi d’argento. (C) Spettri di assorbanza (L’inserto mostra gli inchiostri stampati, barra della scala: 5 mm). (D) Fotografia di un cubo plasmonico stampato in 3D discretamente classificato. (E) Fotografia di un cubo plasmonico stampato in 3D con classificazione funzionale continua (barre di scala: 5 mm). Adattato dal rif. [22]. Copyright (2017) John Wiley & Sons. (F) Schema che mostra i componenti QD-LED stampati su una superficie curva. (G) Grafico della densità di corrente rispetto alla tensione del LED QD stampato in 3D su una lente a contatto. L’inserto mostra l’elettroluminescenza dal QD-LED stampato in 3D (scala: 1 mm). Ristampato dal rif. [23]. Copyright (2014) Pubblicazioni ACS. (H) DLP ha stampato complicati vasi sotto l’illuminazione a luce UV, che mostrano i colori rosso, verde e blu luminescenti. (I) Fotografia delle diverse resine di colore luminescente per fusione. Ristampato dal rif. [24]. Copyright (2017) John Wiley & Sons. 
Schemi dei metodi di stampa 3D: modellazione a deposizione fusa (FDM), PolyJet (o Material jetting), scrittura diretta dell’inchiostro (DIW), stereolitografia (SLA) / proiettore di luce digitale (DLP), scrittura laser diretta (DLW), sinterizzazione laser selettiva (SLS).