Investigadores del Centro de Investigación de Ciencias Avanzadas ASRC del Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y del Colegio de la Ciudad de Nueva York CCNY han desarrollado un metamaterial que puede transportar sonido de formas inusualmente robustas a lo largo de sus bordes ylocalizarlo en sus esquinas.
Según un nuevo artículo publicado hoy en Materiales de la naturaleza , el material recién diseñado crea una estructura acústica robusta que puede controlar de manera inusual la propagación y localización del sonido incluso cuando existen imperfecciones de fabricación. Esta propiedad única puede mejorar las tecnologías que usan ondas de sonido, como sonares y dispositivos de ultrasonido, haciéndolosmás resistente a defectos
La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Alexander Khanikaev, profesor en los departamentos de ingeniería eléctrica y física de CCNY que también está afiliado al ASRC, y de Andrea Alù, directora de la Iniciativa Fotónica del ASRC. Su avance se basa entrabajo que trajo un campo de las matemáticas llamado topología al mundo de la ciencia de los materiales. La topología estudia las propiedades de un objeto que no se ve afectado por deformaciones continuas. Por ejemplo, una dona es topológicamente equivalente a una pajita de plástico, ya que ambas tienen un agujero.podría moldearse en el otro estirando y deformando el objeto, y sin romperlo o agregar nuevos agujeros.
Utilizando principios topológicos, los investigadores predijeron y luego descubrieron aislantes topológicos: materiales especiales que conducen corrientes eléctricas solo en sus bordes, no a granel. Sus propiedades de conducción inusuales provienen de la topología de su brecha de banda electrónica, y por lo tanto son inusualmenteresistente a cambios continuos, como desorden, ruido o imperfecciones.
"Ha habido mucho interés en tratar de extender estas ideas de las corrientes eléctricas a otros tipos de transporte de señales, en particular a los campos de la fotónica topológica y la acústica topológica", dice Alù. "Lo que estamos haciendo es construir especialesmateriales acústicos que pueden guiar y localizar el sonido de formas muy inusuales "
Para diseñar su novedoso metamaterial acústico, el equipo imprimió en 3D una serie de pequeños trímeros, dispuestos y conectados en una red triangular. Cada unidad de trímero constaba de tres resonadores acústicos. La simetría rotacional de los trímeros y la simetría quiral generalizada deel enrejado, le dio a la estructura propiedades acústicas únicas que se derivan de la topología de su banda acústica.
Los modos acústicos de los resonadores hibridaron, dando lugar a una estructura de banda acústica para todo el objeto. Como resultado, cuando el sonido se reproduce a frecuencias fuera del intervalo de banda, puede propagarse a través de la mayor parte del material. Pero cuando el sonido esjugado en frecuencias dentro del intervalo de banda, solo puede viajar a lo largo de los bordes del triángulo o localizarse en sus esquinas. Esta propiedad, dice Alù, no se ve afectada por el desorden o los errores de fabricación.
"Podrías eliminar por completo una esquina, y lo que quede formará la nueva esquina de la red, y seguirá funcionando de manera similar, debido a la solidez de estas propiedades", dijo Alù
Para romper estas propiedades, los investigadores tuvieron que reducir la simetría del material, por ejemplo, cambiando el acoplamiento entre las unidades de resonador, lo que cambia la topología de la estructura de la banda y, por lo tanto, cambia las propiedades del material.
"Hemos sido los primeros en construir un metamaterial topológico para el sonido que admite diferentes formas de localización topológica, a lo largo de sus bordes y en sus esquinas", dijo Khanikaev. "También demostramos que las técnicas avanzadas de fabricación basadas en elementos acústicos impresos en 3D puedenRealizamos geometrías de complejidad arbitraria en una plataforma simple y flexible, abriendo oportunidades disruptivas en el campo de los materiales acústicos. Recientemente hemos estado trabajando en diseños de metamateriales 3D aún más complejos basados en estas técnicas, que ampliarán aún más las propiedades de los materiales acústicos y expandiráncapacidades de dispositivos acústicos "
"Estamos demostrando, fundamentalmente, que es posible habilitar nuevas formas de transporte de sonido que son mucho más robustas de lo que estamos acostumbrados. Estos hallazgos pueden encontrar aplicaciones en imágenes de ultrasonido, acústica subacuática y tecnología de sonda", agregó.dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Centro de Investigación de Ciencias Avanzadas, GC / CUNY . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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