Een nieuwe computersimulatie toont de veelbelovende mogelijkheden van het bloeiende veld van de topologie. Slim ontworpen mechanische structuren dragen geluid uitsluitend in één richting en zijn immuun voor fabricagefouten. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .

Stel je voor dat je een pas gekochte headset uitpakt en ontdekt dat één oortelefoon licht beschadigd is. Je hebt het volste recht om het terug te sturen - per slot van rekening het zal nooit zo goed als nieuw klinken. Echter, met behulp van een aantal fundamentele fysica, in de toekomst zou het misschien mogelijk zijn om producten te maken die perfect geluid zouden dragen, zelfs ondanks eventuele fabricagefouten. De onderzoeksgroep van de Leidse natuurkundige Vincenzo Vitelli simuleert materialen die geluid alleen aan hun oppervlak en in één richting dragen en immuun zijn voor schade.

Actieve vloeistof

Postdoctoraal onderzoeker Anton Souslov toont een visual uit zijn simulatie (figuur), met een structuur van ringen die een zogenaamde actieve vloeistof bevatten - een vloeistof die bestaat uit zelfrijdende deeltjes zoals bacteriën of rollende colloïden. Het systeem is ontworpen om twee keer zoveel ringen te bevatten waarin de actieve vloeistof met de klok mee (rood) in plaats van tegen de klok in (blauw) cirkelt. Dit geeft de vloeistof binnenin een netto beweging met de klok mee, wat een speciaal effect blijkt te hebben op hoe het materiaal geluid draagt.

Onaangetast geluid

Als je een boombox naast een van de zijkanten plaatst, geluid zal zich niet door de hele structuur verspreiden. In plaats daarvan, het zal alleen langs de randen bewegen en alleen met de klok mee. Het mooie is dat eventuele schade, zoals de deuk aan de rechterkant, heeft totaal geen invloed op het geluid. 'Dit concept kan nuttig zijn voor het ontwerpen van ultrasone apparatuur die immuun is voor fabricagefouten, ' zegt Souslov. 'Of apparaten voor niet-invasieve chirurgie, waar u zich op tumoren richt met echografie met hoge intensiteit. Andere toepassingen kunnen geluiddichte muren zijn of zelfs glasvezel, want het principe werkt net zo goed voor lichtgolven.'

Topologie

Liefhebbers van natuurkunde herkennen misschien de analogie met topologische isolatoren, die aan de binnenkant isoleren maar aan het oppervlak elektrische stroom geleiden. Het Leidse ontwerp doet hetzelfde voor geluid, en vindt ook zijn wortels op het raakvlak tussen natuurkunde en topologie - een snelgroeiend veld dat het onderwerp was van de 2016 Nobelprijs voor Natuurkunde. Topologische structuren blijven onaangetast door uitrekken of buigen. Alleen extreme vervormingen zoals scheuren of lijmen veranderen hun eigenschappen.