I ricercatori hanno potenziato le capacità dei materiali progettando con cura strutture precise che mostrano proprietà anomale in grado di controllare le onde acustiche o ottiche. Però, questi metamateriali sono costruiti in geometrie fisse, il che significa che le loro abilità uniche sono sempre fisse. Ora, il nuovo metamateriale stampato in 3D sviluppato da un team guidato dai ricercatori della University of Southern California può essere commutato a distanza tra il controllo attivo e gli stati passivi.

Professore assistente della USC Viterbi School of Engineering Qiming Wang e Ph.D. studente Kun-Hao Yu, insieme al professore del MIT Nicholas Fang e al professor Guoliang Huang dell'Università del Missouri, hanno sviluppato metamateriali stampati in 3D in grado di bloccare le onde sonore e le vibrazioni meccaniche. A differenza dei metamateriali attuali, questi possono essere attivati ​​o disattivati ​​da remoto utilizzando un campo magnetico. I loro materiali possono essere utilizzati per la cancellazione del rumore, controllo delle vibrazioni e occultamento sonoro, che può essere utilizzato per nascondere gli oggetti dalle onde acustiche.

"Quando si fabbrica una struttura, la geometria non può essere modificata, il che significa che la proprietà è fissa. L'idea qui è, possiamo progettare qualcosa di molto flessibile in modo che tu possa cambiarlo usando controlli esterni, " ha detto Wang, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale.

I metamateriali possono essere utilizzati per manipolare fenomeni ondulatori come radar, suono e luce e sono stati utilizzati per sviluppare tecnologie come dispositivi di occultamento e sistemi di comunicazione migliorati. I metamateriali del team sono in grado di controllare i suoni ambientali e le vibrazioni strutturali, che hanno forme d'onda simili. Stampando in 3D un materiale deformabile contenente particelle di ferro in una struttura reticolare, i loro metamateriali possono essere compressi utilizzando un campo magnetico.

"Puoi applicare una forza magnetica esterna per deformare la struttura e cambiare l'architettura e la geometria al suo interno. Una volta cambiata l'architettura, cambi la proprietà, " Wang ha detto. "Volevamo raggiungere questo tipo di libertà per passare da uno stato all'altro. Utilizzando campi magnetici, l'interruttore è reversibile e molto rapido."

Il campo magnetico comprime il materiale, ma a differenza di una forza di contatto fisico come una piastra di metallo, il materiale non è vincolato. Perciò, quando un'onda acustica o meccanica entra in contatto con il materiale, lo turba, generando le proprietà uniche che bloccano il passaggio delle onde sonore e delle vibrazioni meccaniche di determinate frequenze.

Il meccanismo si basa sulle proprietà anormali dei loro metamateriali:modulo negativo e densità negativa. Nei materiali di tutti i giorni, questi sono entrambi positivi.

"Il materiale con un modulo o una densità negativa può intrappolare suoni o vibrazioni all'interno della struttura attraverso risonanze locali in modo che non possano trasferirsi attraverso di essa, " disse Yu.

Tipicamente, quando spingi su un oggetto, ti respinge. In contrasto, gli oggetti con modulo negativo ti attraggono, tirandoti verso di loro mentre spingi. Gli oggetti che mostrano una densità negativa funzionano in modo altrettanto contraddittorio. Quando spingi questi oggetti lontano da te, si muovono invece verso di te.

Una proprietà negativa, modulo negativo o densità negativa, può funzionare in modo indipendente per bloccare il rumore e arrestare le vibrazioni entro determinati regimi di frequenza. Però, quando si lavora insieme, il rumore o la vibrazione possono passare di nuovo. Il team è in grado di mantenere un controllo versatile sul metamateriale, commutazione tra doppio positivo (suono passante), singolo negativo (blocco del suono), e doppio negativo (suono che passa) semplicemente commutando il campo magnetico.

"Questa è la prima volta che i ricercatori hanno dimostrato la commutazione reversibile tra queste tre fasi utilizzando stimoli remoti, "Ha detto Wang.

Direzioni future

Wang crede che potrebbero essere in grado di dimostrare un'altra proprietà unica chiamata rifrazione negativa, in cui un'onda attraversa il materiale e rientra con un'angolazione innaturale, che secondo Wang è, "antifisico". Hanno in programma di studiare ulteriormente questo fenomeno una volta che saranno in grado di fabbricare strutture più grandi.

"Vogliamo ridimensionare o ampliare il nostro sistema di fabbricazione, "Ha detto Wang. "Questo ci darebbe più opportunità di lavorare su una più ampia gamma di lunghezze d'onda".

Con il loro sistema attuale, possono stampare solo materiale 3D con un diametro del raggio compreso tra un micron e un millimetro. Ma le dimensioni contano. Fasci più piccoli controlleranno onde a frequenza più elevata, e fasci più grandi influenzerebbero le onde a frequenza più bassa.

"Ci sono infatti una serie di possibili applicazioni per il controllo intelligente dell'acustica e delle vibrazioni, " Yu ha detto. "I materiali di ingegneria tradizionali possono solo proteggere dall'acustica e dalle vibrazioni, ma pochi di loro possono accendersi e spegnersi."