Elastyczne materiały mogą zapewnić sposoby manipulowania dźwiękiem i światłem

Elastyczne, warstwowe materiały teksturowane z zmarszczkami w nanoskali mogą zapewnić nowy sposób kontrolowania długości i rozkładu fal, zarówno dźwiękowych, jak i świetlnych. Nowa metoda, opracowana przez naukowców z MIT, może ostatecznie znaleźć zastosowania, od nieniszczących testów materiałów po tłumienie dźwięków, a także zapewnić nowy wgląd w miękkie systemy biologiczne i być może doprowadzić do powstania nowych narzędzi diagnostycznych.

Wyniki zostały opisane w artykule opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie P hysical Listy przeglądowe , napisany przez Stephana Rudykha i Mary Boyce, byłego profesora inżynierii mechanicznej na MIT, który obecnie jest dziekanem Fu Foundation School of Engineering and Applied Science na Columbia University.

W górnej parze obrazów fale dźwiękowe (niebieskie i żółte pasma) przechodzące przez płaski materiał warstwowy są tylko w minimalnym stopniu dotknięte. Na niższych obrazach, gdy dźwięk przechodzi przez pomarszczony materiał warstwowy, pewne częstotliwości dźwięku są blokowane i filtrowane przez materiał. Zdjęcie dzięki uprzejmości Felice Frankel

Chociaż wiadomo, że właściwości materiałów wpływają na propagację światła i dźwięku, w większości przypadków właściwości te są stałe, gdy materiał jest wytwarzany lub hodowany, i trudno je później zmienić. Jednak w przypadku materiałów warstwowych zmiana właściwości — na przykład w celu dostrojenia materiału w celu odfiltrowania określonych kolorów światła — może być tak prosta, jak rozciągnięcie elastycznego materiału.

Te efekty są wysoce dostrajane, odwracalne i kontrolowane, mówi Rudykh. Na przykład możemy zmienić kolor materiału lub potencjalnie uczynić go niewidocznym optycznie lub akustycznie.

Materiały można wytwarzać w procesie osadzania warstwa po warstwie, udoskonalonym przez naukowców z MIT i innych placówek, który można kontrolować z dużą precyzją. Proces umożliwia określenie grubości każdej warstwy z dokładnością do ułamka długości fali światła. Materiał jest następnie kompresowany, tworząc w nim szereg precyzyjnych zmarszczek, których odstępy mogą powodować rozpraszanie wybranych częstotliwości fal (dźwiękowych lub świetlnych).

Co zaskakujące, Rudykh mówi, że efekty te działają nawet w materiałach, w których naprzemienne warstwy mają prawie identyczną gęstość. Możemy używać polimerów o bardzo podobnych gęstościach i nadal uzyskiwać efekt – mówi. To, jak fale rozchodzą się w materiale, czy nie, zależy od mikrostruktury i możemy to kontrolować, mówi.

Projektując tę ​​mikrostrukturę, aby wytworzyć pożądany zestaw efektów, a następnie zmieniając te właściwości poprzez deformację materiału, możemy faktycznie kontrolować te efekty za pomocą bodźców zewnętrznych, mówi Rudykh. Możesz zaprojektować materiał, który pomarszczy się do innej długości fali i amplitudy. Jeśli wiesz, że chcesz kontrolować określony zakres częstotliwości, możesz to zaprojektować w ten sposób.

Badania, które opierają się na modelowaniu komputerowym, mogą również dostarczyć wglądu we właściwości naturalnych materiałów biologicznych, mówi Rudykh. Zrozumienie, w jaki sposób fale rozchodzą się w tkankach biologicznych, może być przydatne w technikach diagnostycznych, mówi.

Na przykład obecne techniki diagnostyczne dla niektórych nowotworów obejmują bolesne i inwazyjne procedury. Zasadniczo ultradźwięki mogą dostarczać te same informacje w sposób nieinwazyjny, ale dzisiejszym systemom ultradźwiękowym brakuje wystarczającej rozdzielczości. Nowa praca z pomarszczonymi materiałami może doprowadzić do bardziej precyzyjnej kontroli tych fal ultradźwiękowych, a tym samym do systemów o lepszej rozdzielczości, mówi Rudykh.

System może być również używany do maskowania dźwięku — zaawansowanej formy redukcji szumów, w której dźwięki zewnętrzne mogą być całkowicie blokowane z określonej objętości przestrzeni, a nie tylko z jednego miejsca, jak w obecnych słuchawkach z redukcją szumów.

Mikrostruktura, od której zaczynamy, jest bardzo prosta, mówi Rudykh, i opiera się na ugruntowanej produkcji warstwa po warstwie. Z tego warstwowego materiału możemy rozszerzyć do bardziej skomplikowanych mikrostruktur i uzyskać efekty, jakich nigdy nie można uzyskać z konwencjonalnych materiałów. Docelowo takie systemy można by wykorzystać do kontrolowania różnych efektów związanych z propagacją światła, dźwięku, a nawet ciepła.

George Fytas, profesor materiałoznawstwa i kierownik grupy polimerów na Uniwersytecie Kreteńskim w Grecji, mówi, że jest to bardzo nowatorski pomysł, ponieważ indukuje kierunkową lukę foniczną nie istniejącą w strukturze warstwowej. Dodaje, że to odkrycie pokazuje, jak dobrze ugruntowane narzędzia teoretyczne mogą przewidywać zachowanie nowych materiałów, co jest wyzwaniem dla eksperymentatorów.

Technologia jest już opatentowana, a naukowcy prowadzą już rozmowy z firmami na temat możliwej komercjalizacji – mówi Rudykh.

Badania były wspierane przez Biuro Badawcze Armii USA za pośrednictwem Instytutu Nanotechnologii Żołnierza MIT.

ukryć