Naukowcy z MIT opracowali ramy projektowe do kontrolowania propagacji fal ultradźwiękowych w akustyce w mikroskali metamateriałykoncentrując się na precyzyjnym pozycjonowaniu sfer w mikroskali w siatce.
Podejście to umożliwia przestrajanie prędkości i reakcji fal i ma zastosowanie w takich dziedzinach, jak obrazowanie ultradźwiękowe i obliczenia mechaniczne.
Metamateriały akustyczne
Metamateriały akustyczne to specjalnie zaprojektowane materiały o starannie zaprojektowanych strukturach, które kontrolują sposób przemieszczania się przez nie fal dźwiękowych lub sprężystych. Chociaż badacze badali te materiały za pomocą modeli komputerowych i badań teoretycznych, tworzenie wersji fizycznych ograniczało się dotychczas do struktur wielkoskalowych i zastosowań o niskiej częstotliwości.
„Wielofunkcyjność metamateriałów — będąc jednocześnie lekkimi i wytrzymałymi, a jednocześnie posiadającymi przestrajalne właściwości akustyczne — czyni je doskonałymi kandydatami do zastosowań inżynieryjnych w ekstremalnych warunkach” – wyjaśnia Carlos Portela, kierownik ds. rozwoju kariery Roberta N. Noyce’a i adiunkt inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie MIT. „Jednak wyzwania związane z miniaturyzacją i charakteryzacją metamateriałów akustycznych przy wysokich częstotliwościach utrudniają postęp w kierunku opracowania zaawansowanych materiałów, które mają zdolność kontrolowania fal ultradźwiękowych”.
Nowe ramy projektowe do kontroli fal ultradźwiękowych
Portela wraz z Rachel Sun, Jet Lem i Yun Kai z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT oraz Washingtonem DeLimą z kampusu bezpieczeństwa narodowego w Kansas City Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych opracowali niedawno nowe ramy projektowe do kontrolowania fal ultradźwiękowych w mikroskopijnych metamateriałach akustycznych. Wyniki ich badań, szczegółowo opisane w artykule „Tailored Ultrasound Propagation in Microscale Metamaterials via Inertia Design”, opublikowano w czasopiśmie Postęp nauki.
„Nasza praca proponuje ramy projektowe oparte na precyzyjnym pozycjonowaniu sfer w mikroskali w celu dostosowania sposobu, w jaki fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez metamateriały 3D w mikroskali” – mówi Portela. „W szczególności badamy, jak umieszczenie mikroskopijnych kulistych mas w siatce metamateriału wpływa na szybkość przemieszczania się fal ultradźwiękowych, co ostatecznie prowadzi do reakcji kierowania falami lub skupiania”.
Postęp w technologii metamateriałów
Dzięki nieniszczącej, wysokowydajnej charakteryzacji laserowo-ultradźwiękowej zespół eksperymentalnie demonstruje przestrajalne prędkości fal sprężystych w materiałach w mikroskali. Wykorzystują różne prędkości fal do przestrzennego i czasowego dostrajania propagacji fal w materiałach w mikroskali, demonstrując również demultiplekser akustyczny (urządzenie, które rozdziela jeden sygnał akustyczny na wiele sygnałów wyjściowych). Prace torują drogę urządzeniom i komponentom w mikroskali, które mogą być przydatne w obrazowaniu ultradźwiękowym lub przesyłaniu informacji za pomocą ultradźwięków.
„Wykorzystując proste zmiany geometryczne, te ramy projektowe rozszerzają przestrajalną dynamiczną przestrzeń właściwości metamateriałów, umożliwiając proste projektowanie i wytwarzanie metamateriałów i urządzeń akustycznych w mikroskali” – mówi Portela.
Szerokie zastosowania i przyszły potencjał
Badania poszerzają także możliwości eksperymentalne, w tym wytwarzanie i charakteryzację, metamateriałów akustycznych w mikroskali w kierunku zastosowania w ultrasonografii medycznej i zastosowaniach obliczeń mechanicznych, a także podkreślają podstawową mechanikę propagacji fali ultradźwiękowej w metamateriałach, dostrajanie właściwości dynamicznych poprzez proste zmiany geometryczne i opisywanie tych zmian jako funkcją zmian masy i sztywności. Co ważniejsze, szkielet można zastosować w innych technikach wytwarzania wykraczających poza mikroskalę, wymagających jedynie jednego materiału składowego i jednej podstawowej geometrii 3D, aby uzyskać w dużym stopniu przestrajalne właściwości.
„Piękno tej struktury polega na tym, że zasadniczo łączy ona fizyczne właściwości materiału z cechami geometrycznymi. Umieszczając sferyczne masy na sprężystym rusztowaniu z siatki, moglibyśmy stworzyć bezpośrednie analogie do wpływu masy na sztywność kwazistatyczną i dynamiczną prędkość fali” – mówi Sun, pierwszy autor badania. „Zdałem sobie sprawę, że możemy uzyskać setki różnych projektów i odpowiednich właściwości materiałów, niezależnie od tego, czy materiały wibrujemy, czy powoli ściskamy”.
Odniesienie: „Dostosowana propagacja ultradźwięków w metamateriałach w mikroskali poprzez projektowanie bezwładności”, autorzy: Rachel Sun, Jet Lem, Yun Kai, Washington DeLima i Carlos M. Portela, 6 listopada 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adq6425
Prace te przeprowadzono częściowo przy wykorzystaniu obiektów MIT.nano.
