Wederkerigheid is niet altijd goed.

in de natuurkunde, bijvoorbeeld, het gaat om elektromagnetische en akoestische golven. Het idee is dat golven op dezelfde manier achteruit reizen als vooruit. Wat goed is, behalve dat golven obstakels tegenkomen (wolkenkrabbers, wind, mensen) waardoor ze energie verliezen.

Maar wat als je die regel zou kunnen breken en golven rond die obstakels zou kunnen leiden? Of een object de golf in een bepaalde richting volledig laten absorberen? Dergelijke functionaliteiten kunnen veranderen hoe elektronische, fotonische en akoestische apparaten worden ontworpen en gebruikt.

De ingenieurs van de universiteit van Buffalo hebben een stap in deze richting gezet. Werken in een opkomend veld dat bekend staat als "ruimtetijd-variërende metamaterialen, "Ingenieurs hebben het vermogen aangetoond om de wederkerigheid in akoestische golven te doorbreken.

Een studie die hun werk beschrijft, die wordt ondersteund door de National Science Foundation, werd gepubliceerd op 14 februari in Fysieke beoordeling toegepast brieven, een tijdschrift uitgegeven door de American Physical Society.

"We hebben experimenteel aangetoond dat het mogelijk is om de wederkerigheid in akoestische golven te doorbreken met materiaaleigenschappen die gelijktijdig in tijd en ruimte veranderen, ", zegt de hoofdonderzoeker van het project Mostafa Nouh, doctoraat, universitair docent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek aan de School of Engineering and Applied Sciences.

Co-auteurs zijn M. Ali Attarzadeh en Jesse Callanan, zowel Ph.D. kandidaten in Nouh's lab.

Om de experimenten uit te voeren, Nouh en de studenten bouwden een balk die bestaat uit een gewone thermoplast (acrylonitril-butadieen-styreen, of ABS) bar uitgerust met 20 aluminium resonatoren, elk in de vorm van een rechthoek.

Met motoren kunnen de ingenieurs elke resonator programmeren, die in paren van vier zijn gegroepeerd, draaien met intervallen van 45 graden. Bijvoorbeeld, de eerste resonator staat op 0 graden, de tweede op 45 graden, de derde op 90 graden en de vierde op 135 graden. De volgende groep van vier volgt hetzelfde patroon, enzovoort.

De spin is zowel een functie van de ruimte (de intervallen van 45 graden) als de tijd (de milliseconden tussen hun hoekoriëntaties). Vandaar de naam, ruimtetijd-variërende metamaterialen.

Wanneer geactiveerd, de draaiende resonatoren zien eruit als autozuigers die ronddraaien in plaats van op en neer te pompen. Wat ze aan het doen zijn, echter, verandert de stijfheid van de balk, " wat de weerstand is om te worden vervormd door een uitgeoefende kracht.

Voordat u de straal test, het team voerde computersimulaties uit die voorspelden dat wederkerigheid zou breken bij zeer snelle variaties van stijfheid. Met andere woorden, hoe sneller de resonatoren draaien, hoe groter de kans dat ze de wederkerigheid zouden kunnen verbreken.

Dus de ingenieurs hebben de motoren op 2 gezet, 000 omwentelingen per minuut (rpm). Om te zien of dit snel genoeg was, ingenieurs stuurden trillingen (een akoestische golf) door de straal via een piëzol-elektrische actuator. Met behulp van een scanning laser Doppler vibrometer, evenals een warmtebeeldcamera (om ervoor te zorgen dat kleine temperatuurschommelingen het experiment niet beïnvloedden), Nouh en studenten ontdekten dat het patroon waarin de golf terugkeerde naar zijn oorsprong sterk afweek van zijn oorspronkelijke koers.

"Dit is het bewijs dat de golf op een niet-wederkerige manier werkt, ' zegt Callanan.

Bij een andere proef met de resonatoren die alleen op 100 tpm draaien, de stijfheid van de balk bewoog nauwelijks. Nouh en studenten ontdekten dat de golf op dezelfde manier terugkeerde naar zijn oorsprong, waaruit blijkt dat de wederkerigheid niet is verbroken.

"De experimenten tonen niet alleen ons vermogen aan om de wederkerigheid van akoestische golven te doorbreken, maar bevestig onze hypothese dat een dergelijke breuk afhankelijk is van de snelheid van stijfheidsmodulaties door de draaiende actie, ', zegt Attarzadeh.

Het vermogen om golven op deze manier te manipuleren, een eerste in zijn soort proof-of-concept, heeft veel gebruiksmogelijkheden. Bijvoorbeeld, je zou een muur kunnen bouwen waardoor geluid gemakkelijk in de ene richting kan passeren, maar niet in de tegenovergestelde richting. Het zou de manier waarop autonome voertuigen met elkaar communiceren kunnen verbeteren. Het zou de resolutie van medische beeldvorming via echografie kunnen verhogen, die typisch lijdt aan een beperking die "reflectie-artefacten" wordt genoemd en die ertoe kan leiden dat artsen afbeeldingen verkeerd interpreteren.

Maar Nouh waarschuwt dat de laboratoriumprestatie nog niet klaar is voor commercialisering. Bijvoorbeeld, de balk die het team heeft gebouwd is groot en zou moeten worden verkleind, waarschijnlijk door middel van 3D-printen of andere nanofabricagetools. Ook, de materialen die het team gebruikte warmen te snel op. Om dit te overwinnen, meer geavanceerde en duurdere materialen zijn waarschijnlijk nodig.