Вчені навчилися створювати метаматеріали, які фокусують звукові хвилі

Дослідники з Каліфорнійського технологічного університету та Швейцарської вищої технологічної школи Цюриха розробили новий підхід до проектування метаматеріалів – матеріалів, фізичні властивості яких залежать від геометричних параметрів їхніх складових.

Це дозволило створити метаматеріали, які здатні фокусувати звукові хвилі.

Як працюють метаматеріали

Гаррі Поттер та його мантія-невидимка. Кадр з х/ф.

Ідея метаматеріалів полягає у тому, що на рівні десятків чи сотень нанометрів домінантну роль починають відігравати ефекти, пов’язані з розмірами та формою частинок. Найвідомішим прикладом таких матеріалів є гіпотетична тканина-невидимка – матеріал, елементи якого мають такі розміри, що світло видимого діапазону хвиль починає огинати їх, не відбиваючись.

Іншим прикладом метаматеріалів є топологічні ізолятори – об’єкти, які завдяки своїм геометричним параметрам не пропускають електричний струм всередині. Водночас, по поверхні струм може текти, як по провіднику, що створює нові можливості для розробки інноваційних мініатюрних пристроїв. Разом з тим, досі ніхто так і не створив жодної єдиної теорії побудови метаматеріалів. Особливо це стосується метаматеріалів, які працюють не з електромагнітними явищами, а з механічними.

Плащ невидимка для хвиль
Дослідники працюють над технологіями, які робили об’єкти невидимими для всього, що подорожує як хвилі. Це стосується світла та звуку, а також – на субатомному рівні – самих частинок матерії.

Нові акустичні лінзи

Команда К’яри Дарайо вивчає властивості метаматеріалів з мікро- та наноструктурами. Джерело: its.caltech.edu

Професор Каліфорнійського технологічного університету К’яра Дарайо та її група припустили, що те, як у метаматеріали будуть передаватися механічні коливання, може визначатися коливанням кожного з елементів окремо, а також тим, як коливаються сусідні елементи через характер зв’язку між ними.

У перспективі, це дозволить створити універсальні елементи мікроскопічного або субмікроскопічного масштабу, складаючи які у різній послідовності можна буде отримати метаматеріали з цілим спектром різноманітних властивостей. Звучить непогано, правда?

У якості підтвердження своєї теорії вони розробили плитки міліметрового розміру та з’єднали їх між собою, наче пазл. Трохи поекспериментувавши з формою самих плиток та характером їх з’єднань між собою, вчені досягли ефекту, коли отримана конструкція почила працювати, як акустична лінза, здатна фокусувати звукові хвилі.

І якщо передати на таку лінзу механічні коливання, вона не буде дзижчати, як звичайний динамік, розповсюджуючи рівномірно затухаючі коливання в усі боки, а буде створювати максимальну гучність звуку тільки у певній точці, яка зовсім необов’язково буде знаходитися поруч з самою лінзою.

Акустична лінза
Акустична фокусуюча лінза, утворена особливою структурою метаматеріалу. Джерело: Scientific American

Крім того, якщо скласти нові блоки у іншій послідовності, то утворюється звукопровід, тобто  звукові коливання по такому матеріалу розповсюджуються у різних напрямках з різною швидкістю.

Важко сказати, чи знайдуть нові акустичні лінзи своє застосування найближчим часом. Одним з напрямків досліджень є створення нових  пристроїв, які дозволять отримувати в одному й тому ж самому приміщенні зони, де, наприклад, грає музика та панує тиша.

Однак значно важливішим є загальний принцип, що лежить в основі цих досліджень. Досі створення метаматеріалів залишалося чимось на зразок середньовічної алхімії – їх можна було отримати тільки методом перебору матеріалів. Робота К’яри Дарайо та її команди створює основи для систематичного передбачення властивостей отриманих метаматеріалів в залежності від початкових параметрів, так само, як це стало можливо з переважною більшістю “звичайних” матеріалів.

Nature Materials (2018), doi: 10.1038/s41563-017-0003-3

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 68 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.