Metamaterial amb un transport sonor inherentment robust.

Investigadors del Centre de Recerca en Ciències Avançades (ASRC) del Centre de Postgrau de The City University of New York i el City College of New York (CCNY), han desenvolupat un metamaterial que pot transportar so en formes extraordinàriament robustes al llarg de les seves arestes i localitzar-lo a les cantonades.

Font: Google

Segons un nou article publicat recentment al Nature Materials, aquest nou material d'enginyeria crea una robusta estructura acústica que, de manera inusual, pot controlar la propagació i la localització del so fins i tot quan hi ha imperfeccions de fabricació. Aquesta única propietat, pot millorar les tecnologies que utilitzen ones de so, com són els sonars i els dispositius d'ultrasò, fent-los més resistents als defectes.

La investigació és una col·laboració entre els laboratoris d'Alexander Khanikaev, un professor dels departaments d'enginyeria elèctrica i física del CCNY, que també està afiliat a l'ASRC, i d'Andrea Alù, directora de la Iniciativa Fotònica d'ASRC. El seu avanç es basa en el treball que va portar al camp de les matemàtiques anomenat topologia al món de la ciència dels materials. La topologia estudia les propietats d'un objecte que no es veu afectat per deformacions contínues. Per exemple, un donut és topològicament equivalent a una palla de plàstic, ja que tots dos tenen un forat. Un podria moldear-se en l'altre estirant-se i deformant l'objecte, sense esquinçar-lo ni afegir nous forats.

Font: Google

Utilitzant principis topològics, els investigadors van predir i posteriorment van descobrir, aïllants topològics, que són materials especials que només condueixen corrents elèctrics per les seves arestes. Les seves inusuals propietats de conducció provenen de la topologia del buit de la banda electrònica, i per tant són inusualment resistents als canvis continus, els desordres, al soroll o a les imperfeccions.

Hi ha hagut molts interessos a l'hora d'intentar ampliar aquestes idees dels corrents elèctrics a altres tipus de transport de senyals, en particular als àmbits de la fotònica topològica i l'acústica topològica. El que s'està fent, és construir materials acústics especials que puguin guiar i localitzar el so de maneres molt inusuals.

Per dissenyar el seu nou metamaterial acústic, l'equip 3D -va imprimir una sèrie de petits desordres, disposats i connectats en una xarxa triangular. Cada unitat de trimer consistia en tres ressonadors acústics. La simetria rotacional dels trimers, i la simetria quiral generalitzada de la retícula, van donar a l'estructura propietats acústiques úniques que es deriven de la topologia del seu grup de banda acústica.

Font: Google

Els modes acústics dels ressonadors van hibridar, donant lloc a una estructura de banda acústica per a tot l'objecte. Com a resultat, quan el so es reprodueix a freqüències fora del buit de banda, es pot propagar a través de la major part del material. Però quan el so es reprodueix a freqüències dins de la  banda, només es pot recórrer els límits del triangle o localitzar-se a les cantonades. Aquesta propietat,  no es veu afectada pels errors de desordre o fabricació.

Per trencar aquestes propietats, els investigadors van haver de reduir la simetria del material mitjançant, per exemple, canviar l'acoblament entre unitats de ressonador, que canvia la topologia de l'estructura de la banda i, per tant, canvia les propietats del material.

Font: Google

S'ha estat els primers en construir un metamaterial topològic per al so que dóna suport a diferents formes de localització topològica, al llarg de les seves vores i als seus racons. També es va demostrar que les tècniques avançades de fabricació basades en elements acústics impresos en 3D, poden realitzar geometries de complexitat arbitrària en una plataforma senzilla i flexible, obrint oportunitats pertorbadors en el camp dels materials acústics. Recentment s'ha treballat en sistemes 3D dissenyats amb  metamaterials basats en aquestes tècniques, que ampliaran les propietats dels materials acústics i ampliaran les capacitats dels dispositius acústics".

S'està mostrant, fonamentalment, que és possible permetre noves formes de transport sonor que són molt més robustes del que s'està acostumats. Aquests resultats poden trobar aplicacions en imatges d'ultrasò, acústica subaquàtica i la tecnologia sonar.

Font: Nuture Materials