I ricercatori dell'Empa hanno sviluppato cristalli fononici chirali e hanno costruito un modello funzionale su cui ora vengono eseguite le misurazioni delle vibrazioni. Credito:Empa
Un team di ricercatori acustici dell'Empa ha costruito strutture cristalline macroscopiche che utilizzano la rotazione interna per attenuare la propagazione delle onde. Il metodo permette di costruire materiali molto leggeri e rigidi in grado di "inghiottire" molto bene anche le basse frequenze, come riportano sul giornale Comunicazioni sulla natura .
Il mondo dei cristalli offre molte proprietà interessanti:i cristalli possono produrre scintille elettriche negli accendini usa e getta, Per esempio, possono produrre luce polarizzata e possono disperdere i raggi X raggruppati in migliaia di riflessi individuali che vengono rifratti in tutte le direzioni spaziali.
Alcune di queste proprietà vengono mantenute anche se le strutture cristalline atomiche vengono ingrandite di circa 100, 000, 000 volte e i cristalli vengono replicati su larga scala. I fisici ne approfittano ormai da diversi anni:se i cristalli originali diffondono raggi X con lunghezze d'onda molto corte, le copie ingrandite possono diffondere oscillazioni con lunghezze d'onda lunghe in tutte le direzioni. È stato così trovato un modo molto elegante per lo smorzamento delle vibrazioni. Le strutture cristalline ingrandite con tali proprietà acustiche sono chiamate cristalli fononici.
Andrea Bergamini e il suo team del Dipartimento di Acustica / Riduzione del rumore dell'Empa sono ora riusciti a integrare nei cristalli proprietà aggiuntive che non sono presenti negli originali. I ricercatori hanno costruito piccoli, piastre rotanti nelle strutture cristalline, che sono in grado di convertire le oscillazioni lungo l'asse longitudinale in movimenti torsionali. Per la prima volta, un'oscillazione indesiderata può non solo essere dispersa in diverse direzioni spaziali, ma può anche essere convertito in energia termica.
In un ulteriore passaggio, Bergamini e i suoi colleghi di ricerca hanno accoppiato insieme diversi dischi rotanti nel cristallo. Questo può essere fatto in due modi diversi:o tutti i dischi ruotano nella stessa direzione (disposizione isotattica) o sono alternativamente collegati tra loro con le loro direzioni di rotazione (disposizione sindiotattica). L'effetto è notevolmente diverso:la disposizione sindiotattica ABAB del senso di rotazione crea un cosiddetto gap di banda di frequenza. Un'ampia gamma di oscillazioni viene "inghiottita" dal meccanismo di rotazione e non viene fatta passare attraverso il cristallo. D'altra parte, la disposizione isotattica AAAA dei moti rotatori genera nuove onde con frequenze simili, che vengono trasmessi attraverso il cristallo. Un componente meccanico con una certa geometria determina quindi se il cristallo è isolante o conduttivo. Il team ha ora pubblicato i risultati della ricerca nell'attuale numero della rivista Comunicazioni sulla natura .
Misura delle vibrazioni ultrasoniche sul modello del cristallo fononico chirale. I risultati sono molto promettenti. Credito:Empa
La "finestra di crittografia" è una possibile applicazione per i cristalli fononici. Distorce il parlato in modo puramente meccanico, senza elettronica o elettricità. Credito:Gian Vaitl / Empa
La "finestra di crittografia"
Ma come possono essere utilizzati tali intervalli di banda di frequenza di oscillazione? Intanto, un primo modello è stato sviluppato in laboratorio che mostra una possibile funzione dei cristalli fononici:Bergamini ha costruito una finestra da due lastre di plexiglas in cui sono integrati dischi rotanti in disposizione sindiotattica. La dimensione dei dischi è sintonizzata sulla frequenza del linguaggio umano. L'idea:quando alcune frequenze vengono filtrate dal parlato, il contenuto parlato diventa incomprensibile per l'ascoltatore. Il cervello umano non può più assemblare le informazioni acustiche in un significato. I primi test nel laboratorio di acustica mostrano:l'approccio è molto promettente. Puoi vedere chiaramente le persone che parlano e anche sentire chi sta parlando in modo ovattato. Ma non una sola parola può essere compresa chiaramente dal testo parlato.
Bergamini e i suoi colleghi si aspettano che trasparenti, i cristalli fononici potrebbero essere interessanti per architetti e interior designer. Questo trucco fisico consente di produrre materiali da costruzione rigidi con una forma stabile che isolano molto bene il suono e possono essere fino a 100 volte più leggeri di altri materiali isolanti fononici che hanno lo stesso effetto. Nell'ingegneria meccanica, costruzioni aeronautiche e costruzioni automobilistiche leggere, pure, il filtraggio delle frequenze interferenti con materiali isolanti leggeri di design potrebbe presto svolgere un ruolo importante.
