I ricercatori dell'Advanced Science Research Center (ASRC) del Graduate Center della City University di New York e del City College di New York (CCNY) hanno sviluppato un metamateriale in grado di trasportare il suono in modi insolitamente robusti lungo i suoi bordi e localizzarlo ai suoi angoli.

Secondo un nuovo articolo pubblicato oggi in Materiali della natura , il materiale di nuova concezione crea una struttura acustica robusta in grado di controllare in modi insoliti la propagazione e la localizzazione del suono anche in presenza di imperfezioni di fabbricazione. Questa proprietà unica può migliorare le tecnologie che utilizzano le onde sonore, come sonar e dispositivi ad ultrasuoni, rendendoli più resistenti ai difetti.

La ricerca è una collaborazione tra i laboratori di Alexander Khanikaev, un professore nei dipartimenti di ingegneria elettrica e fisica del CCNY che è anche affiliato all'ASRC, e di Andrea Alù, direttore della Photonics Initiative dell'ASRC. Il loro progresso si basa sul lavoro che ha portato un campo della matematica chiamato topologia nel mondo della scienza dei materiali. La topologia studia le proprietà di un oggetto che non sono interessate da deformazioni continue. Ad esempio, una ciambella è topologicamente equivalente a una cannuccia di plastica, in quanto entrambi hanno un foro. Uno potrebbe essere modellato nell'altro allungando e deformando l'oggetto, e senza strapparlo o aggiungere nuovi buchi.

Utilizzando principi topologici, i ricercatori hanno previsto e successivamente scoperto isolanti topologici, materiali speciali che conducono correnti elettriche solo sui bordi, non alla rinfusa. Le loro insolite proprietà di conduzione derivano dalla topologia della loro banda proibita elettronica, e sono quindi insolitamente resistenti ai continui cambiamenti, come il disordine, rumore o imperfezioni.

"C'è stato molto interesse nel cercare di estendere queste idee dalle correnti elettriche ad altri tipi di trasporto del segnale, in particolare ai campi della fotonica topologica e dell'acustica topologica, " Dice Alù. "Quello che stiamo facendo è costruire materiali acustici speciali in grado di guidare e localizzare il suono in modi molto insoliti".

Per progettare il loro nuovo metamateriale acustico, il team ha stampato in 3D una serie di piccoli trimeri, disposti e collegati in un reticolo triangolare. Ogni unità trimero consisteva di tre risonatori acustici. La simmetria rotazionale dei trimeri, e la simmetria chirale generalizzata del reticolo, ha conferito alla struttura proprietà acustiche uniche che derivano dalla topologia della loro banda proibita acustica.

I modi acustici dei risonatori ibridati, dando luogo a una struttura a banda acustica per l'intero oggetto. Di conseguenza, quando il suono viene riprodotto a frequenze al di fuori del band gap può propagarsi attraverso la maggior parte del materiale. Ma quando il suono viene riprodotto a frequenze all'interno del band gap, può viaggiare solo lungo i bordi del triangolo o essere localizzato ai suoi angoli. Questa proprietà, Alù dice, non è influenzato da disordine o errori di fabbricazione.

"Potresti rimuovere completamente un angolo, e ciò che resta formerà il nuovo angolo del reticolo, e funzionerà ancora in modo simile, a causa della robustezza di queste proprietà, "Alù ha detto

Per rompere queste proprietà, i ricercatori hanno dovuto ridurre la simmetria del materiale di, Per esempio, cambiando l'accoppiamento tra le unità risonanti, che cambia la topologia della struttura a bande e quindi cambia le proprietà del materiale.

"Siamo stati i primi a costruire un metamateriale topologico per il suono che supporti diverse forme di localizzazione topologica, lungo i bordi e agli angoli.", ha detto Khanikaev. "Abbiamo anche dimostrato che le tecniche di fabbricazione avanzate basate su elementi acustici stampati in 3D possono realizzare geometrie di complessità arbitraria in una piattaforma semplice e flessibile, aprendo opportunità dirompenti nel campo dei materiali acustici. Recentemente abbiamo lavorato su progetti di metamateriali 3D ancora più complessi basati su queste tecniche, che amplierà ulteriormente le proprietà dei materiali acustici e amplierà le capacità dei dispositivi acustici".

"Stiamo mostrando, fondamentalmente, che è possibile abilitare nuove forme di trasporto del suono molto più robuste di quelle a cui siamo abituati. Questi risultati possono trovare applicazioni nell'imaging a ultrasuoni, acustica subacquea e tecnologia sonar, " disse Alù.