Onderzoekers hebben de mogelijkheden van materialen vergroot door zorgvuldig nauwkeurige structuren te ontwerpen die abnormale eigenschappen vertonen die akoestische of optische golven kunnen beheersen. Echter, deze metamaterialen zijn geconstrueerd in vaste geometrieën, wat betekent dat hun unieke vaardigheden altijd vaststaan. Nutsvoorzieningen, nieuw 3D-geprint metamateriaal, ontwikkeld door een team onder leiding van onderzoekers van de University of Southern California, kan op afstand worden geschakeld tussen actieve controle en passieve toestanden.

USC Viterbi School of Engineering Universitair docent Qiming Wang en Ph.D. student Kun-Hao Yu, samen met MIT-professor Nicholas Fang en professor Guoliang Huang van de Universiteit van Missouri, hebben 3D-geprinte metamaterialen ontwikkeld die geluidsgolven en mechanische trillingen kunnen blokkeren. In tegenstelling tot de huidige metamaterialen, deze kunnen op afstand worden in- of uitgeschakeld met behulp van een magnetisch veld. Hun materialen kunnen worden gebruikt voor ruisonderdrukking, vibratiecontrole en sonic cloaking, die kan worden gebruikt om objecten te verbergen voor akoestische golven.

"Als je een structuur maakt, de geometrie kan niet worden gewijzigd, wat betekent dat het onroerend goed vaststaat. Het idee hier is, we kunnen iets heel flexibels ontwerpen, zodat je het kunt veranderen met behulp van externe controles, " zei Wang, een assistent-professor civiele en milieutechniek.

Metamaterialen kunnen worden gebruikt om golfverschijnselen zoals radar, geluid en licht en zijn gebruikt om technologie te ontwikkelen zoals verhulapparaten en verbeterde communicatiesystemen. De metamaterialen van het team zijn in staat om omgevingsgeluiden en structurele trillingen te beheersen, die vergelijkbare golfvormen hebben. Door 3D-printen van een vervormbaar materiaal met ijzerdeeltjes in een roosterstructuur, hun metamaterialen kunnen worden gecomprimeerd met behulp van een magnetisch veld.

"Je kunt een externe magnetische kracht toepassen om de structuur te vervormen en de architectuur en de geometrie erin te veranderen. Zodra je de architectuur verandert, je verandert de woning, " zei Wang. "We wilden dit soort vrijheid bereiken om tussen staten te schakelen. Met behulp van magnetische velden, de omschakeling is omkeerbaar en zeer snel."

Het magnetische veld comprimeert het materiaal, maar in tegenstelling tot een fysieke contactkracht zoals een metalen plaat, het materiaal is niet beperkt. Daarom, wanneer een akoestische of mechanische golf in contact komt met het materiaal, het verstoort het, het genereren van de unieke eigenschappen die de doorgang van geluidsgolven en mechanische trillingen van bepaalde frequenties blokkeren.

Het mechanisme is gebaseerd op de abnormale eigenschappen van hun metamaterialen - negatieve modulus en negatieve dichtheid. In alledaagse materialen, deze zijn beide positief.

"Materiaal met een negatieve modulus of negatieve dichtheid kan geluiden of trillingen in de structuur opsluiten door lokale resonanties, zodat ze er niet doorheen kunnen worden overgedragen, ' zei Yu.

Typisch, als je op een voorwerp duwt, het duwt je terug. In tegenstelling tot, objecten met een negatieve modulus trekken je aan, trekt u naar hen toe terwijl u duwt. Objecten die een negatieve dichtheid vertonen, werken op een vergelijkbare tegenstrijdige manier. Als je deze voorwerpen van je af duwt, ze bewegen in plaats daarvan naar je toe.

Een negatieve eigenschap, ofwel negatieve modulus of negatieve dichtheid, kan zelfstandig werken om geluid te blokkeren en trillingen te stoppen binnen bepaalde frequentieregimes. Echter, als je samenwerkt, het geluid of de trilling kan er weer doorheen. Het team is in staat om veelzijdige controle over het metamateriaal te behouden, schakelen tussen dubbel-positief (geluid doorgeven), single-negatief (geluidsblokkering), en dubbel-negatief (doorlatend geluid) gewoon door het magnetische veld om te schakelen.

"Dit is de eerste keer dat onderzoekers omkeerbaar schakelen tussen deze drie fasen hebben aangetoond met behulp van externe stimuli, ' zei Wang.

Toekomstige richtingen

Wang gelooft dat ze misschien een andere unieke eigenschap kunnen aantonen, negatieve breking genaamd, waarbij een golf door het materiaal gaat en onder een onnatuurlijke hoek weer binnenkomt, die volgens Wang is, "anti-fysica." Ze zijn van plan dit fenomeen verder te bestuderen zodra ze grotere structuren kunnen fabriceren.

"We willen ons fabricagesysteem verkleinen of opschalen, "Zei Wang. "Dit zou ons meer kans geven om op een groter bereik van golflengten te werken."

Met hun huidige systeem ze kunnen alleen materiaal 3D printen met een bundeldiameter tussen een micron tot een millimeter. Maar grootte is belangrijk. Kleinere bundels zouden golven met een hogere frequentie regelen, en grotere bundels zouden golven met een lagere frequentie beïnvloeden.

“Er zijn inderdaad een aantal mogelijke toepassingen voor het slim regelen van akoestiek en trillingen, " zei Yu. "Traditionele technische materialen beschermen alleen tegen akoestiek en trillingen, maar weinigen van hen kunnen schakelen tussen aan en uit."