Een team van akoestische onderzoekers van Empa heeft macroscopische kristalstructuren gebouwd die interne rotatie gebruiken om de voortplanting van golven te dempen. De methode maakt het mogelijk om zeer lichte en stijve materialen te bouwen die ook lage frequenties heel goed kunnen "slikken", zoals ze rapporteren in het journaal Natuurcommunicatie .

De wereld van kristallen biedt tal van interessante eigenschappen:kristallen kunnen elektrische vonken ontsteken in wegwerpaanstekers, bijvoorbeeld, ze kunnen gepolariseerd licht produceren en ze kunnen gebundelde röntgenstralen verstrooien in duizenden individuele reflexen die in alle ruimtelijke richtingen worden gebroken.

Sommige van deze eigenschappen blijven behouden, zelfs als de atomaire kristalstructuren ongeveer 100 worden vergroot, 000, 000 keer en de kristallen worden op grote schaal gerepliceerd. Natuurkundigen maken hier al enkele jaren gebruik van:als de originele kristallen röntgenstraling met zeer korte golflengten verstrooien, de vergrote kopieën kunnen oscillaties met lange golflengten in alle richtingen verstrooien. Zo is een zeer elegante manier voor trillingsdemping gevonden. Vergrote kristalstructuren met dergelijke akoestische eigenschappen worden fononische kristallen genoemd.

Andrea Bergamini en zijn team van Empa's afdeling Acoustics / Noise Reduction zijn er nu in geslaagd om extra eigenschappen in de kristallen te integreren die niet aanwezig zijn in de originelen. De onderzoekers bouwden kleine, roterende platen in de kristalstructuren, die trillingen langs de lengteas kunnen omzetten in torsiebewegingen. Voor de eerste keer, een ongewenste trilling kan niet alleen in verschillende ruimtelijke richtingen worden verspreid, maar kan ook worden omgezet in thermische energie.

In een volgende stap, Bergamini en zijn onderzoekscollega's koppelden verschillende van de roterende schijven in het kristal aan elkaar. Dit kan op twee verschillende manieren:ofwel draaien alle schijven in dezelfde richting (isotactische opstelling) ofwel zijn ze afwisselend met hun rotatierichtingen met elkaar verbonden (syndiotactische opstelling). Het effect verschilt enorm:door de syndiotactische ABAB-rangschikking van de draairichting ontstaat een zogenaamde frequentiebandgap. Een breed scala aan trillingen wordt door het rotatiemechanisme "opgeslokt" en niet door het kristal geleid. Anderzijds, de isotactische AAAA-rangschikking van de roterende bewegingen genereert nieuwe golven met vergelijkbare frequenties, die door het kristal worden doorgegeven. Een mechanische component met een bepaalde geometrie bepaalt dus of het kristal isolerend of geleidend is. Het team heeft de onderzoeksresultaten nu gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het "cryptografievenster"

Maar hoe kunnen dergelijke oscillatiefrequentiebandhiaten worden gebruikt? Ondertussen, in het laboratorium is een eerste model ontwikkeld dat een mogelijke functie van fononische kristallen laat zien:Bergamini bouwde een raam van twee plexiglasplaten waarin roterende schijven in syndiotactische opstelling zijn geïntegreerd. De grootte van de schijven is afgestemd op de frequentie van menselijke spraak. Het idee:wanneer bepaalde frequenties uit spraak worden gefilterd, de gesproken inhoud wordt onbegrijpelijk voor de luisteraar. Het menselijk brein kan de akoestische informatie niet meer samenvoegen tot een betekenis. De eerste tests in het akoestieklaboratorium wijzen uit:de aanpak is veelbelovend. Je ziet duidelijk de pratende mensen en hoort ook gedempt wie er aan het praten is. Maar uit de gesproken tekst is geen enkel woord duidelijk te verstaan.

Bergamini en zijn collega's verwachten dat transparante, fononische kristallen kunnen interessant zijn voor architecten en interieurontwerpers. Deze fysieke truc maakt het mogelijk om stijve bouwmaterialen te produceren met een stabiele vorm die het geluid zeer goed isoleren en tot 100 keer lichter kunnen zijn dan andere fononische isolatiematerialen die hetzelfde effect hebben. In de werktuigbouwkunde, vliegtuigbouw en lichtgewicht automobielbouw, te, het uitfilteren van storende frequenties met lichtgewicht design-isolatiematerialen zou binnenkort een grote rol kunnen spelen.