Η μεθοδολογία υλοποίησης θα βασίζεται στις παρακάτω προσεγγίσεις:

1: Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση νανοπρόσθετων υλικών: Μεταξύ των άλλων φωτοκαταλυτικών υλικών, θα δοθεί έμφαση σε απλά ή με προσμείξεις οξείδια μετάλλων (όπως TiO₂, ZnO, WO₃ κλπ), με στόχο την διάθεση νανοϋλικών που θα συνδυάζουν βέλτιστη και διαχρονική σταθερή φωτοκαταλυτική δράση, συμβατότητα με τα υπό χρήση πολυμερή, όπως HDPE, σταθερότητα ως νανοπρόσθετα σε πολυμερικές μήτρες καθώς και χαμηλή τοξικότητα για το θαλάσσιο περιβάλλον. Τα νανοϋλικά θα αναπτυχθούν με σύνθεση από διάλυμα, ακολουθούμενη από ανόπτηση για βελτίωση της κρυσταλλικότητας, αν αυτή απαιτηθεί. Παράλληλα, θα εξεταστούν, αν απαιτηθεί, διάφορες προσμείξεις με στόχο την βελτιστοποίηση της δραστικότητας τους. Τέλος, σε περιπτώσεις που τα νανοϋλικά δεν σχηματίζουν σταθερά εναιωρήματα ή έχουν κακή αναμειξιμότητα με το υπό χρήση πολυμερές, θα πραγματοποιείται κατάλληλη χημική τροποποίηση. Σε κάθε περίπτωση, θα πραγματοποιείται δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός, ενώ η δραστικότητα θα διερευνάται μέσω φωτοκατάλυσης.

2: Ανάπτυξη εργαστηριακών πρότυπων νανοσύνθετων νημάτων: Θα πραγματοποιηθεί ενσωμάτωση των νανοϋλικών από οξείδια μετάλλων σε πολυμερικές μήτρες, με έμφαση σε HDPE, ώστε το τελικό νανοσύνθετο υλικό να έχει αντιρρυπαντικές ιδιότητες, αλλά και κατάλληλες μηχανικές ιδιότητες. Θα χρησιμοποιηθούν διάφορες εργαστηριακές τεχνικές, όπως πίεσης υπό θερμώ, εξώθησης υπό θερμώ και τριασδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) ώστε να δημιουργηθούν πολυμερικά νανοσύνθετα υπό μορφή νημάτων σε πρώτη φάση και πλέγματος με ελεγχόμενη γεωμετρία σε δεύτερη. Θα πραγματοποιηθεί πλήρης χαρακτηρισμός των πολυμερικών νανοσύνθετων, με ιδιαίτερη έμφαση σε ρεολογικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες, που είναι κρίσιμες για την παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Παράλληλα, θα διερευνηθεί η λειτουργικότητα των νανοσύνθετων υλικών σε σχέση με την αντιρρυπαντική τους δράση. Τα αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν ως ανάδραση για την βελτιστοποίηση αφενός των νανοπρόσθετων και αφετέρου της δομής και της αρχιτεκτονικής του πολυμερικού νανοσύνθετου.

3. Επικάλυψη των διχτυών υδατοοκαλλιέργειας με βιοκτόνα συμπολυμερή. Θα διερευνηθεί η χρήση βιοστατικών ενώσεων ακινητοποιημένων υπό μορφή επίστρωσης σε δίκτυα  υδατοκαλλιέργειας, έτσι ώστε η βιοστατική δράση να περιορίζεται μόνο στην επιφάνεια χωρίς να ελευθερώνονται ουσίες στο θαλάσσιο περιβάλλον. Ειδικότερα, έχει δειχθεί ότι επιφάνειες με ισχυρά υδρόφοβο χαρακτήρα που δεν διαβρέχονται από το υδάτινο περιβάλλον, όπως φθοριωμένα πολυμερή καθώς και πολυσιλοξάνες, παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση. Παράλληλα, επιφάνειες με πολύ υδρόφιλο χαρακτήρα αποτρέπουν την προσκόλληση, καθώς αυτή απαιτεί την απομάκρυνση του νερού από την επιφάνεια κάτι το οποίο δεν ευνοείται θερμοδυναμικά, με αποτέλεσμα επίσης αντιμικροβιακή δράση, η χρήση τους σε υποθαλάσσιες εφαρμογές και η μακρόχρονη αντοχή τους ειδικά παρουσία θαλασσινού νερού δεν έχει εξεταστεί επαρκώς. Στόχος του προτεινόμενου έργου θα είναι ανάπτυξη καινοτόμων αντιμικροβιακών πολυμερικών επιστρώσεων για εφαρμογές σε δίχτυα ιχθυοκαλλιέργειας και η μελέτη της αντιμικροβιακής τους δράσης σε εργαστηριακό επίπεδο και σε πραγματικές συνθήκες.

4. Μελέτη και μοντελοποίηση της ικανότητας για αντιρρυπαντική δράση και της τοξικότητας σε εργαστηριακό επίπεδο:

Δοκιμές αντιρρυπαντικής δράσης: Σε εργαστηριακό επίπεδο θα δοκιμαστεί η δράση των νέων υλικών χρησιμοποιώντας σαν δείχτες καλλιέργειες μικροφυκών (Chlorella sp., Nanochloropsis sp.) σε άγαρ. Οι δοκιμές θα γίνουν υπό ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και φωτός για μια περίοδο 15 ημερών σε επανάληψη (τουλάχιστον τριπλή) στα διάφορα υλικά που θα αναπτυχθούν.

Δοκιμές οξείας τοξικότητας: Θα προσδιορισθεί η τοξικότητα (EC50) σε δείγμα του υπό εξέταση προϊόντος και σε δείγματα νερού αφού έχει γίνει διάλυση/έκκληση (leaching) του προϊόντος με δύο τρόπους, ι) με το θαλάσσιο βακτήριο Vibrio fischery (Microtox© test) και ιι) το καρκινοειδες Artemia sp. (Artemia test).

5: Αξιολόγηση στο πεδίο: Πλέγματα με διάφορες συστάσεις και γεωμετρίες αλλά και διάφορες επιστρώσεις θα τοποθετηθούν για ικανό χρονικό διάστημα σε μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας με στόχο την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Με βάση τα αποτελέσματα, θα αξιολογηθεί η ικανότητας των νανοσύνθετων και των επιστρώσεων για την ανάπτυξη δικτυών υδατοκαλλιέργειας με αντιρρυπαντική δράση, αλλά και η δυνατότητα μεταφοράς των σχετικών υλικών και διαδικασιών σε μονάδες παραγωγής. Επιπλέον θα γίνουν δοκιμές χρόνιας τοξικότητας: Θα προσδιοριστούν χρόνιες επιδράσεις σε δείγματα ιστών (βράγχια, συκώτι, μυς) σε ψάρια (15 άτομα) τα οποία έχουν εκτεθεί στο υπό εξέταση προϊόν και σε ψάρια (15 άτομα) που δεν έχουν εκτεθεί. Ο προσδιορισμός των επιδράσεων  θα γίνει με τους βιοχημικούς και ενζυμικούς βιοδείκτες: 1) ενεργότητα της υπεροξειδάσης της γλουταθειόνης (SOD), 2) συγκέντρωση της μεταλλοθειονίνης, 3) ενεργότητα της Na-K-ATPάσης, 4) οξείδωση λιπιδίων (MDA).

Αναλυτική Περιγραφή ανά Πακέτο Εργασίας

ΠΕ 1 :  Διερεύνηση των λειτουργικών απαιτήσεων σε καινοτόμα δίκτυα για ιχθυοκαλλιέργεια

Συντονιστής: Ιχθυοκαλλιέργειες Αργοσαρωνικού Α.Ε., Μ1-M9.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Αναλυτική μελέτη αναφορικά με τις ανάγκες της αγοράς, τις απαιτήσεις της και τα περιθώριά της.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Θα διερευνηθούν τα εμπορικά προϊόντα που παρέχονται στην εγχώρια και διεθνή αγορά ως δίκτυα υδατοκαλλιέργειας και τα χαρακτηριστικά τους 
• Θα παραδοθεί μία έκθεση σκοπιμότητας, χρηματοοικονομική ανάλυση, διάγραμμα πιθανών προϊόντων και αγορών και αναλύσεις νομοθετικών πλαισίων.

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π1.1:   Έκθεση για βιομηχανικές και εμπορικές απαιτήσεις Μ9.

ΠΕ 2 :  Κατασκευή νανοσύνθετων νημάτων

Συντονιστής: ΕΛΜΕΠΑ, Μ2-M24.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Η ανάπτυξη κατάλληλων φωτοκαταλυτικών νανοπρόσθετων και ενσωμάτωση τους σε πολυμερικές μήτρες.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοπρόσθετων: Θα μελετηθούν διάφορες μορφές απλών ή με προσμείξεις οξειδίων μετάλλων (όπως TiO₂, ZnO, WO₃ κλπ), για την ανάπτυξη των οποίων θα χρησιμοποιηθούν χημικές τεχνικές χαμηλού κόστους και φιλικές προς το περιβάλλον, εύκολα εφαρμόσιμες σε μια μονάδα παραγωγής και η οποία θα επιτρέπει τον έλεγχο και την ελεγχόμενη τροποποίηση των βασικών  χαρακτηριστικών τους.
• Διερεύνηση της συμβατότητας και αναμειξιμότητάς των νανοπρόσθετων με τις υπό χρήση πολυμερικές μήτρες: Θα διερευνηθεί η συμβατότητα και η αναμειξιμότητα των νανοσύνθετων με τις υπό χρήση πολυμερικές μήτρες, με έμφαση σε HDPE.
• Ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών: Θα χρησιμοποιηθεί η τεχνική της εξώθησης υπό θερμώ και της τριασδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) ώστε να αναπτυχθούν πολυμερικά νανοσύνθετα σε μορφή νημάτων

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π2.1:   Νανοσύνθετα νήματα Μ24.

Π2.2:   Έκθεση σε σχέση με τη δημοσιότητα Μ24.

ΠΕ 3 :  Κατασκευή πιλοτικών προϊόντων εργαστηριακής κλίμακας και έλεγχος της λειτουργικότητας τους σε φυσικό περιβάλλον.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Έλεγχος της αντιρρυπαντικής δράσης σε πραγματικές συνθήκες.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες

• Έλεγχος της αντιρρυπαντικής δράσης σε πραγματικές συνθήκες: Πρότυπα θα τοποθετηθούν για διάρκεια ενός χρόνου σε μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας με στόχο την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης. Η τοποθέτηση θα αφορά κατάλληλο αριθμό δειγμάτων, έτσι ώστε να είναι εφικτή η διαχρονική μελέτη της συμπεριφοράς τους. Επιπλέον θα γίνουν δοκιμές χρόνιας τοξικότητας σε δείγματα ιστών (βράγχια, συκώτι, μυς) από ψάρια (15 άτομα) τα οποία έχουν εκτεθεί στο υπό εξέταση προϊόν. Ο προσδιορισμός των επιδράσεων θα γίνει με τους βιοχημικούς και ενζυμικούς βιοδείκτες: 1) ενεργότητα της υπεροξειδάσης της γλουταθειόνης (SOD), 2) συγκέντρωση της μεταλλοθειονίνης, 3) ενεργότητα της Na-K-ATPάσης, 4) οξείδωση λιπιδίων (MDA).

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π3.1 :   Έκθεση σχετική με την συμπεριφορά των πιλοτικών προϊόντων σε φυσικό περιβάλλον

ΠΕ 4 :  Έλεγχος χαρακτηριστικών, λειτουργικότητας και τοξικότητας των υπό ανάπτυξη υλικών

Συντονιστής: ΕΛΚΕΘΕ, Μ4-M24.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Κατανόηση των συνθέσεων και διαδικασιών ανάπτυξης των νανοσύνθετων υλικών και των επιστρώσεων που οδηγούν σε βέλτιστη αντιρρυπαντική δράση.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Όλα τα νανοσύνθετα υλικά και οι πολυμερικές επιστρώσεις που θα αναπτυχθούν, θα χαρακτηριστούν ως προς τις δομικές, μορφολογικές, ρεολογικές και φωτοκαταλυτικές ιδιότητες τους.

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π4.1:   Έκθεση σχετικά με τα χαρακτηριστικά, την λειτουργικότητα και την βιοσυμβατότητα  των υπό ανάπτυξη υλικών. Μ24.

Π4.2:   Έκθεση σε σχέση με τη δημοσιότητα. Μ24.

ΠΕ 5 :  Κατασκευή πιλοτικών προϊόντων εργαστηριακής κλίμακας και έλεγχος της λειτουργικότητας τους σε φυσικό περιβάλλον

Συντονιστής: ΙΤΕ, Μ19-M36.

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Έλεγχος της αντιρρυπαντικής δράσης σε πραγματικές συνθήκες.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• Βάσει των αποτελεσμάτων των ΠΕ2, ΠΕ3 και ΠΕ4, θα αναπτυχθούν πρότυπα αντιρρυπαντικά προϊόντα σε μορφή δικτυού μικρής κλίμακας. Θα χρησιμοποιηθούν οι βέλτιστες συνθέσεις με βάση τα αποτελέσματα των προηγούμενων ΠΕ καθώς τα πρότυπα θα έχουν την μορφή δικτυού μικρών διαστάσεων.
• Σε όλα τα πρότυπα που θα αναπτυχθούν θα πραγματοποιηθεί δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός πριν την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης.
• θα επανακαθοριστούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των πρότυπων με στόχο μια βέλτιστη αντιρρυπαντική δράση.
• Πρότυπα θα τοποθετηθούν για διάρκεια ενός χρόνου σε μονάδα ιχθυοκαλλιέργειας με στόχο την διερεύνηση της αντιρρυπαντικής τους δράσης.

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π5.1:   Πιλοτικά προϊόντα. Μ36.

Π5.2:   Έκθεση σχετική με την συμπεριφορά των πιλοτικών προϊόντων σε φυσικό περιβάλλον. Μ30.

Π5.3:   Έκθεση σε σχέση με τη δημοσιότητα. Μ36.

ΠΕ 6 :  Αξιολόγηση εφαρμοσιμότητας των πιλοτικών προϊόντων σε μονάδα παραγωγής και στην αγορά

Συντονιστής: ΕΛΚΕΘΕ, Μ25-M36

Στόχοι/ Επιδιωκόμενα αποτελέσματα: Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ως προς τις δυνατότητες τους για άμεση χρήση σε επιχειρηματικό επίπεδο.

Επί μέρους Ενέργειες/Εργασίες:

• θα μοντελοποιηθεί η συμπεριφορά των πολυμερών νανοσύνθετων υλικών και των πολυμερικών επιστρώσεων σε σχέση με την αντιρρυπαντική τους δράση, ενώ παράλληλα, θα συσχετιστεί αυτή με τα βασικά χαρακτηριστικά των επιμέρους υλικών αλλά και των τελικών πρότυπων. Απώτερος στόχος να αξιολογηθεί όχι μόνο η ικανότητας τους για την ανάπτυξη δικτυών υδατοκαλλιέργειας με αντιρρυπαντική δράση, αλλά και η δυνατότητα μεταφοράς των σχετικών υλικών και διαδικασιών σε μονάδες παραγωγής 
• θα αναπτυχθούν αντίστοιχα πρότυπα τα οποία θα εξαχθούν από τα υλικά που έχουν εκτεθεί σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας τα οποία θα υποβληθούν σε πλήρεις δοκιμές στατικής και δυναμικής μηχανικής ανάλυσης για τον προσδιορισμό της βραχυχρόνιας και μακροχρόνιας μηχανικής τους συμπεριφοράς ενώ θα υπάρξει σύγκριση με τις αντίστοιχες ιδιότητες των αρχικών προτύπων προκειμένου να προσδιοριστεί η υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων.
• Θα πραγματοποιηθεί επίσης μακροσκοπική και μικροσκοπική ανάλυση με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας καθώς και  στοιχειομετρικός προσδιορισμός των προτύπων με την τεχνική EDS για τον περαιτέρω προσδιορισμό της μεταβολής της σύστασης των προτύπων λόγω έκθεσης σε πραγματικό περιβάλλον και την ικανότητα εφαρμογής των πιλοτικών υλικών σε παραγωγική μονάδα

Παραδοτέα – Προϊόντα - Εκροές:

Π6.1:   Έκθεση σε σχέση με την εφαρμοσιμότητα των πιλοτικών προϊόντων σε μονάδα παραγωγής και στην αγορά Μ36.

Στα πλαίσια του εν λόγω ερευνητικού προγράμματος, σχεδιάσαμε, συνθέσαμε και χαρακτηρίσαμε καινοτόμα σύνθετα υλικά καθώς και πολυμερικές επιστρώσεις. Τα βασικά συμπεράσματα του έργου ήταν:

(α) από τα φωτοκαταλυτικά/αυτοκαθαριζόμενα νανοπρόσθετα υλικά που εξετάστηκαν, το πλεόν εύχρηστο (σε σχέση με την ανάπτυξη σύνθετων υλικών) καθώς και το πλέον αποδοτικό (σε σχέση με αντιρρυπαντική δράση) ήταν το TiO₂

(β) από τα βιοκτόνα υλικά που εξετάστηκαν, το πλεόν εύχρηστο (σε σχέση με την ανάπτυξη σύνθετων υλικών) καθώς και το πλέον αποδοτικό (σε σχέση με βιοκτόνα δράση) ήταν το αυτά με βάση το Cu

(γ) Λόγω της δυσκολίας στη χρήση του HPDE σε σύστημα εξώθησης (extruder), πρέπει να προηγηθεί η παρασκευή σύνθετου υλικού με βάση το HDPE και σωματίδια TiO₂ με άλλη τεχνική, όπως το hot roll mill.  Στη συνέχεια, οι παραγώμενες πλάκες κόβονται σε μικρά τεμάχια (τύπου master batches), τα οποία χρησιμοποιούνται σε σύστημα εξώθησης για την ανάπτυξη νήματος, το οποίο τελικά χρησιμοποιείται σε τρισδιάστατο εκτυπωτή.

(δ) ως βέλτιστο υλικό για αντιρρυπαντική δράση φαίνεται να είναι το σύνθετο HDPE-TiO₂ με 10% συγκέντρωση σε TiO₂ με επικάλυψη νανοσωματιδίων Cu

(ε) τα δείγματα με συνθέσεις που είχαν μόνο ΤiO₂ χαρακτηρίσθηκαν ως μη τοξικά ανεξάρτητα από το ποσοστό συγκέντρωσης TiO₂ και την Ομάδα.

(ζ) Τα δείγματα που περιείχαν στην σύνθεση τους Cu και παρουσίασαν υψηλές τιμές αναστολής βιο-φωταύγειας και θνησιμότητας στην μεγαλύτερη εξεταζόμενη συγκέντρωση αλλά χαμηλές τιμές EC50 και LC50, αντίστοιχα, χαρακτηρίσθηκαν επίσης μη τοξικά εκτός από ένα δείγμα της Ομάδας Α (10% TiO2 + Cu) όπου χαρακτηρίσθηκε ως μέτρια τοξικό.

(ζ) Η μικρότερη βιοεπίστρωση παρατηρήθηκε στα δίχτυα που περιέχουν και νανοσωματίδια Cu

(η) η χρήση επικαλύψεων σε εμπορικά δίκτυα από πολυμερικές επιστρώσεις μπορεί να προσφέρει αντιρρυπαντικές ιδιότητες, όμως, η σχετική δραστικότητα είναι σχετικά μικρή, όπως και οι διαφορές της μεταξύ των διαφόρων τύπων πολυμερών που δοκιμάστηκαν δεν είναι στατιστικά σημαντικές

Συμπερασματικά, τεκμηριώθηκε η μεγάλη προοπτική των υπο χρήση υλικών, ειδικά των πολυμερικών νανοσύνθετων με ενσωματωμένο TiO₂ και επικαλυμμένω με νανοσωματίδια Cu, συνδυασμός που επιτρέπει ταυτόχρονη ύπαρξη φωτοκαταλυτικής/ αυτοκαθαριζόμενης και βιοκτόνας δράσης, ενώ παράλληλα, η χρήση μικρής ποσότητας Cu, οδηγεί σε χαμηλή τοξικότητα. Στη φάση αυτή δεν ολοκληρώθησε η διαδικασία ανάπτυξης ενός τελικού νέου προϊόντος καθώς οι ιδιαιτερότητες του θαλάσσιου περιβάλλοντος και η κατ’ επέκταση επίδραση τους στη διαχρονική συμπεριφορά των υπό μελέτη υλικών απαιτούν περισσότερες δοκιμές. 

Σε κάθε περίπτωση, τα πρότυπα υλικά που αναπτύχθηκαν αλλά και η επιστημονική πληροφορία που καταγράφηκε σχετίζονται άμεσα με μία ιδιαίτερης σημασίας βιομηχανία σε Ελληνικό αλλά και διεθνές επίπεδο, με τους οικονομικούς δείκτες να καταγράφουν αξία διεθνώς πλέον των 210 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ το 2021. Στη βιομηχανία αυτή, η βιοσυσσώρευση αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα, καθώς προκαλεί σοβαρά προβλήματα λειτουργίας που απαιτούν χρονοβόρα και κοστοβόρα συντήρηση, με μια άμεση αρνητική οικονομική επίδραση στο σχετικό κλάδο της τάξης του 5% -10% του κόστους παραγωγής. Επομένως, η ανάπτυξη νέων υλικών με αποδοτική αντιρρυπαντική δράση και ελάχιστη επίδραση στο περιβάλλον αποτελούν θέμα ιδιαίτερης σπουδαιότητας.

The META-ENERGY project deals with novel applications of Metamaterials in energy harvesting. It identifies the main obstacles, proposes specific approaches to overcome them, and investigates unexplored capabilities of those materials. The project objectives are focused on: Energy harvesting in microwaves/converting the microwave signal to electrical power, and are based on the following tasks.

• Simulation, design, fabrication and verification experimentally of the use of metallic MM-based WPT systems, with a range to some hundreds of MHz, or even to GHz, by changing their geometry.
• Demonstration of the feasibility of radio frequency energy harvesting (RFEH) with metamaterials, using an array of MMs to enhanced electromagnetic (EM) energy to create DC energy. Radio frequency energy is emitted by sources that generate high EM fields such as TV signals, wireless radio networks and cell phone towers, but through using a power generating circuit linked to a receiving antenna, this free flowing energy can be captured and converted into usable DC voltage.
• Design, fabrication and verification experimentally of the use of resonant-coupling metamaterial-based energy harvesting systems operating in the frequency region of cellular phones and Wi-Fi internet bands (825-2690MHz), as well as existing 3G and 4G bands.
• Additionally, we are going to study theoretically and fabricate metamaterial-based WPT systems made of transparent conductive oxides’ (TCOs) meta-atoms, suitable for typical use as energy harvesters in buildings’ glasses, in smart rooms, hospitals etc.
• Finally, mechanically flexible conductive polymers using simple approaches such as 3D printing, which can be used in novel applications, such as wearable devices, human body sensors etc.

Our work will show that, besides communication and other low-power applications, metamaterials can also be used in high-power energy applications.

In all the cases, besides performing theoretical simulations, we will demonstrate energy harvesting also experimentally through structure fabrication and characterization.

In the proposed research project, we will explore WPT devices based on metamaterials-related ideas, aiming to extend the range and improve the flexibility of an efficient energy harvester system. Within the proposed project, we will fill the gap in the field of WPT applications, using rigorous simulations, design, fabricate and verify experimentally the use of MM-based WPT systems, extending their range to some hundreds of MHz, or even to GHz, by changing their geometry. We will study for the first time, both theoretically and experimentally, the use of transparent conductive MMs, suitable for typical use as energy harvesters in buildings’ glasses, in smart rooms, hospitals etc. Finally, mechanically flexible polymeric MM-based WPT systems will be demonstrated in novel applications, such as wearable devices, human body sensors, autonomous everyday use electronic devices such as mobile phones etc.

A MM-based WPT prototype will be designed and fabricated, providing energy to a typical mobile phone. The main concept is that by attaching a flexible WPT system to a mobile phone, it will be transformed to an autonomous energy system by taking advantage of the available 3G or 4G EM band that is either way necessary for its everyday use. Moreover, several low-power body sensors could be attached to the WPT device providing biometric measurements of the user without energy cost.

The scientific methodology is based on the synergy of rigorous full-wave simulations and actual measurements, in consecutive design steps to achieve an optimal working solution.

Regarding the theoretical design methodology for efficient metamaterial-based energy harvesting systems, two main goals are identified;

• First, the design of a reflectionless metasurface which at the same time fosters high electromagnetic fields in the resonant meta-atoms. This goal can be successfully met by relying on interference effects between different resonances, so that the aggregate scattered field in the far zone is cancelled. As a result, we achieve complete absence of reflections and at the same time high power density on the metasurface due to the acting resonances. In addition, the absence of reflections allows us to cascade multiple metasurfaces and further enhance the overall efficiency of the energy harvesting process. For selecting the appropriate metasurface design, we will identify the pertinent physical considerations and comparatively assess the wide range of available resonant meta-atoms in the literature. The frequency of operation critically depends on the physical/electrical size of the resonant meta-atom. We will, thus, produce designs that can cover the different regimes of operating frequencies in a directly scalable manner.
• The second design consideration concerns the rectifying circuit design and its integration with the metasurface. More specifically, an important goal is to maximize the power transfer to the rectifying element, by engineering the radiation resistance of the meta-atom and the rectifier load impedance. Different rectifying circuits will be considered. In addition, different integration approaches with the metasurface will be investigated. An initial approach will be based in integrating PN junction diodes in each meta-atom at suitable positions and avoiding the use of biasing circuits that further complicate the system.

After completing simulations, and once we have determined suitable designs, we will fabricate the resulting planar and 3D MM samples following standard PCB, PVD, and CVD techniques, as well as 3D printing. 

As already reported, there are two main proposed categories of planar metamaterial-based WPT systems: (i) metallic, and (ii) TCO-based ones, on either glass, or polymeric flexible substrates.

• Typical screen printing circuit technology will be adopted, in order to fabricate copper-based MMs on PCBs, for prototyping. The same approach will be applied on polymer membranes in order to build flexible WPT devices. For the final demonstrator WPT structures PCB fabrication may be outsourced to specialized companies in case that low-loss substrates and/or finer fabrication resolution (linewidth/spacewidth) are required.
• Thermal evaporation (PVD technique) letting us create thin films and patterns (such as MMs) from metals or semiconductors on several substrates such as glass or polymeric sheets.
• Chemical techniques such as CVD, spray and ultrasonic spray pyrolysis, giving us the possibility to fabricate TCO-based WPT systems on several substrates such as glass, flexible polymers, etc.

In order to build 3D MM-based WPT devices we are going to produce polymer based conductive filaments using either commercial or homemade extruders available in IESL-FORTH. Considering that nanoparticles keep their own properties (e.g. conductivity) unaffected, after the blending with the polymer matrix, the produced filament could exhibit corresponding functionalities. This way, polymer based filaments doped with graphene, carbon nanotubes, metal nanoparticles or metal oxides are going to be used in our 3D printers, in order to fabricate 3 dimensional polymer-based WPT systems.

Once the samples mentioned above are completed, we will proceed with their characterization.

• The metallic metamaterial platforms and WPT devices will be measured by means of a microwave network analyzer, in order to verify that they exhibit the simulated resonance at the required frequency. Afterwards, the produced DC voltage of the fabricated WPT systems is going to be measured using typical Volt-Ampere-Ohm meters, to more sophisticated multi-meters with high sensitivity, in order to verify the efficiency of the WPT devices.

As regards the TCO-based and polymeric-based MM platforms and WPT devices, one more set of characterization should be provided in order to verify their structural and chemical identities:

(a) FT-IR, Raman and Multispectral spectroscopy measurements will be performed in order to check the chemical bonds of the as grown semiconductors, their purity, and their distribution in a 3D printed polymeric matrix (using mapping measurements)

(b) X-ray diffraction (XRD) measurements will be performed to both TCOs’ and 3D printed samples in order to reveal their crystal structure.

Especially for the 3D printed MM platforms, their mechanical properties will be studied using typical tension and compression tests, according to international standards (such as ASTM 638/95 Type V). This way we will indeed verify that the mechanical properties of the flexible and polymeric samples of the META-ENERGY project would be such that they can be easily incorporated in realistic devices.

The proposed research and scientific methodology feature distinct novel aspects as listed below:

• The demonstration of TCO-based energy harvesting metamaterials, besides conventional copper (PCB) metamaterial systems.
• The investigation of novel interference phenomena for achieving at the same time reflectionless operation and high local fields, thus enhancing the efficiency of energy harvesting
• The demonstration of flexible metamaterial-based energy harvesting systems that can find use in important everyday applications, such as wearables, consumer electronics and health monitoring devices.
• The use of 3D-printing techniques to allow for deviating from planar structures and using tailored material solutions for constructing the harvesting metasurface/metamaterial structure.

The work packages (WPs) of the META-ENERGY project, the Deliverables, and Milestones are:

WP1 (Literature review, Monthv1-Month 3): We will explore the existing resonant MMs in energy harvesting applications and study their failure for WPT applications.

WP2 (Simulations, Month 1 - Month 12): Simulations on the implementation of metallic metamaterials in WPT systems with different designs.

Milestone 1 (Month 12): Demonstration of metallic MM-WPT wide range systems (hundreds of MHz).

WP3 (Experiments, Month 6 - Month 18): Experimental verification of radio frequency energy harvesting (RFEH) with MMs.

Milestone 2 (Month 18): Demonstration of radio frequency energy harvesting (RFEH) with MMs.

WP4 (Simulations & Experiments, Month 12 - Month 24): Design, fabrication and demonstration of MM-based WPT systems operating in frequency region of cellular phones and Wi-Fi internet bands.

Milestone 3 (Month 24): Demonstration of mobile and Wi-Fi bands energy harvesting with MMs.

WP5 (Simulations & Experiments, Month 20 - Month 36): Design, fabrication and demonstration of WPT systems based on TCOs’ meta-atoms.

Milestone 4 (Month 30): Demonstration of WPT systems based on TCOs.

WP6 (Simulations & Experiments, Month 20 - Month 36): Design, fabrication and demonstration of mechanically flexible WPT systems based on polymeric meta-atoms, through 3D printing etc.

Milestone 5 (Month 36): Demonstration of mechanically flexible WPT systems based on polymers.