动态调控宽频电磁波一直是人类的梦想与追求。1901年，一束无线电波飞越大西洋，实现了史上第一次越洋通信。时至今日，近地轨道卫星互联网技术使得高速互联网可以到达世界每一个角落。然而，卫星的电磁辐射和散射可能会干扰射电望远镜对太空的观测，并且苛刻的太空环境对提高通信质量和控制卫星电磁散射信号提出了重大挑战。亟需对入射卫星的电磁波进行动态调控。尽管通过刺激石墨烯、相变材料可以有效调制其电磁参数，从而动态调控电磁波。但这类方案往往在工作带宽与调制深度方面面临瓶颈。同时，特殊的材料工艺与微纳结构使得其价格高昂，同时容易受到低温和外部振动因素的影响，难以实际应用于严苛的太空环境。
折纸结构以其独特的可折叠特性成为了最有前景的星载器件。同时折纸结构形状变化提供了动态调控电磁波的全新维度。近年来，折纸技术与通信器件的融合在波束偏转、宽带可切换吸收等关键指标取得了显著进步。然而面临实际星载应用，折纸超材料在同时实现光学透明、超宽带和大深度反射调制方面遇到了挑战。针对上述问题，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、新加坡科技设计大学吴琳副教授、新加坡国立大学仇成伟教授联合团队创新性地将柔性电子材料、折纸技术与电磁超材料有机融合，提出实现超宽带大深度反射调制深度的折纸超材料。通过外部刺激材料在折叠和平面状态之间切换，实现了在4.96 ~ 38.8 GHz的超宽频域内（155%分数带宽），材料的反射率从小于- 10 dB变化到接近0 dB。同时实现在可见光和近红外波段超过80%的高透明特性。
相关成果以“Origami Metamaterials for Ultra-Wideband and Large-Depth Reflection Modulation”为题发表在《Nature Communications》。该工作得到国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。
引文信息
Song, Z., Zhu, JF., Wang, X. et al. Origami metamaterials for ultra-wideband and large-depth reflection modulation. Nat Commun 15, 3181 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46907-3
研究亮点
折纸单元视图中，实线(虚线)表示峰(谷)折痕。在外力刺激下，折纸超材料可以从平面结构转换为三浦折叠结构。由于折纸基材在较大温差下仍具有较好的力学性能，因此使用0.125 mm厚的PET-ITO薄膜制备折纸超材料。一个单元包含四个平行四边形谐振腔由折痕分隔。
图1. 提出的折纸超材料的概念图。a卫星太阳能电池板上的折纸超材料。提出的折纸超材料的平面态和折叠态图片。
以下视频展示了提出的折纸超材料的展开形态：
通过仿真与实验，发现平面态折纸超材料在0−40 GHz范围内实现了0 dB附近的强反射，其分数带宽为200%。折叠态折纸超材料在4.96 ~ 38.8 GHz频段实现了小于−10 dB的超宽带弱反射，分数带宽为155%；测量结果表明，所提出的超材料在其平面状态下的反射率超过- 3 dB(平均为−2.47 dB)，而在其折叠状态下的反射率小于−10 dB(平均为−14 dB)，从而实现平均11.53 dB的调制深度。同时当结构从平面状态转变为折叠状态时，其光学透射率基本保持不变。折叠态和平面态的平均透过率分别为87.2%和88.6%，使得其在需要光学透明性的更广泛应用场景中具有很大的潜力。
图2. 所提出的折纸超材料在平面和折叠状态下的微波、可见光和红外光下的模拟和实测光谱。折纸超材料的平面和折叠状态示意图。b,e所提出的超材料在平面和折叠状态下的模拟和实测微波反射。c,f所提出的超材料在可见光到近红外光下的计算和测量的吸收率(A)、反射率(R)和透射率(T)。d所制备的超材料的单细胞在折叠状态下的图像。
为澄清折纸超材料的超宽带和大深度反射率调制原理，采用多极子分解理论对折纸超材料单元结构进行分析。在8.63 GHz谐振频率下，折叠态单元电池的主导模式为电偶极子和电四极子。而电偶极子、四极子和八极子模式在37.28 GHz有显著贡献，表明电模式在这些共振中普遍存在。在11.64 GHz，磁八极子模式对吸收起重要作用，同时伴有电模式的贡献，表明该频率由磁极子与电极子的共同作用。在21.76 GHz，磁偶极子和磁八极子表现出较高的模式功率，表明磁模式处占主导地位。此处重点分析了四个典型的谐振频率，并且发现在其他宽频区间内产生了类似强模式激励。因此，所提出的折纸超材料在其折叠状态下存在稳定的电和磁谐振，导致了超宽带吸收特性。
图3. 所提出的超材料在折叠和平面状态下的超宽带和大深度反射调制分析。a在8.63、11.64、21.76和37.28 GHz频段，所提出的超材料单元在平面和折叠状态下的表面电流(箭头)和表面功率损耗密度(背景色)分布。b超材料单元在8.63、11.64、21.76和37.28 GHz下折叠/平面态的多极分解结果。
同时，该折纸超材料适用于双极化波斜入射下的超宽带和大深度反射调制。这些发现突出了所提出的折纸超材料倾角和极化稳定性。并且在折叠态，折纸超材料的折叠角β在30°~ 130°范围时，其宽带低反射特性具有鲁棒性。同时这一特性在平行四边形角α在30°~ 60°范围内时依然成立，从而证实了折纸超材料超宽带和大深度反射调制的鲁棒性。
图4. 所提出的折纸超材料的反射响应随折叠角度和斜角的不同而变化。a所提出的超材料在TM波斜入射下的反射光谱。b所提出的超材料在TE波斜入射下的反射光谱。c不同折叠角β下所提超材料的反射光谱。d超材料在-10dB以下的反射带宽与折叠角β和平行四边形角α的关系。
同时折纸超材料具有良好的可展开与轻薄特性。随着折叠角β的增大，结构的泊松比逐渐由0变为-1，其覆盖面积可以有效扩大为162倍。同时，无论在何种状态，结构的表面密度介于相纸和A4纸之间，有效的实现了轻量化。该结构的可折叠性和轻量化使其非常适合有限存储空间的卫星应用。
图5. 所提出的折纸超材料的力学性能。a计算泊松比和相对面积作为不同折叠角β的函数。b不同折叠角β的超材料表面密度与常规纸张表面密度的比较。
为实现折纸超材料在卫星太阳能电池板表面的应用，提出了一种机械设计方案。该设计通过平移与旋转两个自由度实现对折纸超材料的调控，从而实现折纸超材料状态切换。在火箭发射前，折纸透明吸波体处于压缩态，节约存储空间。一旦卫星在太空中部署，机械结构可以将折纸透明吸波体从压缩状态转变为折叠状态和平面状态。模拟场景说明折纸超材料在折叠态与平面态均能有效覆盖整个太阳能电池板。
图6. 折纸超材料在卫星太阳能电池板上的折叠过程与场分布 (a) 折纸超材料变形的机械结构图，(b-d) 折纸超材料在卫星太阳能电池板应用中的变形状态。
以下视频演示了折纸超材料在卫星太阳能电池板应用中的变形状态
总结与展望
本工作提出了一种折纸超材料，实现了微波段超宽带和大深度反射调制，同时保持对可见光和近红外波长的高透明度。借助折纸超材料在折叠态和平面态之间的切换，在4.96 ~ 38.8 GHz范围内，其反射特性可以有效从- 10 dB调整为0 dB。从而实现155%的超宽带性能和超过10db的大深度反射调制。进一步引入了多极子分解理论分析折纸超材料超宽带反射调制原理。此外，该结构在不同偏振和斜入射下均表现出优异的稳定性，同时具备可折叠性和轻量化性能。除了优异的性能外，所提出的超材料成本仅为120元/平方米，相较于其他动态调控方案成本大幅下降。折纸设计和电磁超材料的融合有望为航天通信设备提供卓越的超宽带和大深度调制性能。同时，这种令人振奋的组合可能会为光学窗口的波前动态调制带来新的可能。
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