Drukowane 3D metamateriały z regulowaną funkcją tłumienia dźwięku

Grupa badawcza z USC Viterbi School of Engineering, kierowana przez Qiminga Wanga, opracowała nowe metamateriały o nietypowych właściwościach akustycznych – regulując pole magnetyczne można było włączać i wyłączać ich zdolność tłumienia dźwięku. Odpowiednie struktury w postaci rusztowań wydrukowano techniką stereolitografii, dodając do żywicy cząstki żelaza.

Metamateriały to materiały o nieklasycznych właściwościach optycznych, termicznych albo mechanicznych. Nietypowa charakterystyka metamateriałów nie jest ściśle związana z budową chemiczną, ale raczej ze strukturą mikro- i nanoskopową (ogólnie ujmując, rozmiary mikro- czy nanostruktur bliskie są długości fal świetlnych albo mechanicznych – stąd zaburzenie odpowiednich właściwości fizycznych). Opisywaliśmy już metamateriały wydrukowane przestrzennie w skali mikro, które pod wpływem nacisku ulegały skręceniu.

Okazuje się, że można pójść dalej i skonstruować materiały, które zachowują się zupełnie na przekór naszej fizycznej intuicji. Materiały o ujemnym współczynniku sprężystości pod wpływem ściskania nie reagują siłą o przeciwnym zwrocie, ale same zaczynają ściskać się z jeszcze większą siłą. Gdy poddaje się je rozciąganiu, także działają zgodnie z siłą zewnętrzną coraz bardziej się wydłużając.

Wydaje się, że przeczy to zasadom fizyki, ale obiekty zachowujące się w ten sposób można skonstruować, dodając do ich struktury „wbudowane” naprężenia. Oczywiście ujemny współczynnik sprężystości pojawia się tylko w pewnym zakresie odkształceń – inaczej najmniejsze rozciągnięcie wywoływałoby eksplozję, a ściśnięcie – implozję. Podobnym paradoksem fizycznym jest tzw. ujemna gęstość efektywna.

Materiały charakteryzujące się ujemnym współczynnikiem sprężystości albo ujemną gęstością efektywną mogą wykazywać ciekawe właściwości akustyczne, np. doskonale tłumią dźwięki lub skupiają fale dźwiękowe podobnie jak soczewki optyczne skupiają światło. Proponowane wcześniej struktury (wytwarzane zwykle dzięki drukarkom 3D) miały jednak ustaloną strukturę i ich właściwości nie można było zmieniać.

Inaczej jest w przypadku nowego metamateriału opracowanego przez grupę z USC Viterbi. Techniką stereolitografii wydrukowali struktury przypominające rusztowania. Do żywicy dodali wcześniej cząstki żelaza, więc wydrukowane obiekty można było deformować za pomocą pola magnetycznego. Według naukowców zmieniając natężenie pola magnetycznego można zmieniać geometrię struktur i przełączać je pomiędzy stanami wykazującymi ujemny współczynnik sprężystości albo ujemną gęstość efektywną. W praktyce oznacza to, że regulując pole można było aktywować i dezaktywować funkcję tłumienia dźwięków.

Zademonstrowanie potencjalnej użyteczności magnetycznych metamateriałów stanowi dopiero początek prac nad obiektami o nieklasycznych właściwościach akustycznych w grupie Wanga. Planują m.in. skonstruować materiały, które odbijać będą dźwięk w nienaturalny sposób a także wyprodukować nowe struktury w różnych skalach, by pochłaniały dźwięki o różnej częstotliwości.

źródło: viterbischool.usc.edu, artykuł naukowy