Immagina i progressi nella modellazione predittiva se potessi dedurre qualcosa su come la luce amplifica i colori nel piumaggio di un uccello dal modo in cui le onde sismiche si propagano attraverso i sistemi montuosi.

È un po' un'iperbole che tuttavia suggerisce la "bella" utilità delle nuove formule matematiche ideate dal professore di chimica di Princeton Salvatore Torquato e dallo studente del sesto anno Jaeuk Kim del Dipartimento di Fisica mentre avanzano nella nostra comprensione di come si comportano i diversi tipi di onde materiali interni.

Torquato, il professore di scienze naturali Lewis Bernard e direttore del Complex Materials Theory Group, ricerca pubblicata questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) che collega fenomeni ondulatori che non sono mai stati collegati in precedenza. Per la prima volta, la ricerca impiega un approccio unificato che fonde il comportamento delle onde elastodinamiche (suono) con quello delle onde elettromagnetiche (luce) mentre si propagano attraverso eterogenei, o composto, materiali.

Torquato e Kim dimostrano anche che il modo in cui queste onde si muovono attraverso un materiale eterogeneo chiarisce a sua volta le caratteristiche della microstruttura del materiale stesso. La microstruttura, la disposizione spaziale dei diversi materiali che compongono il materiale eterogeneo, influisce sul modo in cui le onde si propagano.

Questa è l'idea alla base delle ecografie, o ecografia, che creano immagini di strutture all'interno del tuo corpo.

Un sistema omogeneo è costituito da un unico materiale. Un eterogeneo, o composto, il sistema è una miscela. Ma la miscela di questi singoli materiali, chiamati fasi, non si combinano in modo uniforme; abitano domini distinti all'interno di quel sistema. Le onde luminose e sonore si muovono attraverso un dato composto e, poiché incontrano fasi diverse con proprietà fisiche diverse, si comportano diversamente, disperdere, e interferire. A causa della conseguente interferenza, le velocità delle onde cambiano e le onde possono attenuarsi, o perdere energia.

Le formule sviluppate nell'ambito di questa ricerca consentiranno agli scienziati di prevedere come agiscono le onde in questi sistemi complessi senza dover risolvere due insiemi di equazioni differenziali che governano le onde luminose e sonore, rispettivamente. Possono stimare le velocità effettive delle onde e il grado di attenuazione, o la velocità con cui le onde si degradano all'interno di un materiale, per una gamma di lunghezze d'onda più ampia di quella su cui operano le teorie precedenti.

"Quello che stiamo prevedendo è il comportamento effettivo di questa onda attraverso un sistema complicato, " disse Torquato, un chimico teorico "E si scopre che le proprietà effettive delle onde elettromagnetiche ed elastodinamiche dipenderanno dalle lunghezze d'onda associate a quelle particolari onde.

"Onde luminose, ad esempio, sono governati dalle equazioni differenziali di Maxwell per le onde elettromagnetiche. Le onde sonore sono governate da un altro insieme di equazioni differenziali. Quindi normalmente, quando lavori sui fenomeni ondulatori, hai queste due comunità che di solito non si parlano, " aggiunse Torquato. "Quello che abbiamo fatto, che è fuori dagli schemi, consiste nel creare una formulazione che ci permetta di affrontare ogni problema in maniera unificata.

"Quindi, abbiamo unito le formule per mostrare che se puoi dirmi la risposta di un materiale a un'onda elettromagnetica, Posso dirti qualcosa sulla risposta di quello stesso materiale alle onde sonore. Così ora, hai queste formule predittive che possono essere applicate in modo da non dover convalidare costantemente la teoria tramite simulazioni al computer in piena regola ogni volta che cambi i parametri. Sei in grado di accedere e prevedere fenomeni che le persone non potevano nemmeno contemplare prima".

La ricerca è incentrata su sistemi eterogenei perché questi sistemi sono ideali per ottenere molteplici tipi di proprietà desiderate, chiamata multifunzionalità, il che significa che le migliori proprietà dei compositi possono essere combinate per mostrare risposte specifiche ai diversi tipi di onde. I materiali possono quindi essere progettati, Per esempio, assorbire le onde o consentirne la trasmissione senza attenuazione.

"I precedenti progetti multifunzionali si sono concentrati principalmente sul trasporto statico e sulle proprietà elastiche perché le teorie convenzionali non erano accurate nella previsione dei fenomeni ondulatori, " disse Kim. "Così, la nostra teoria aiuterà la progettazione razionale di compositi multifunzionali con le caratteristiche d'onda desiderate".

Guidando verso un'applicazione futura, queste formule potrebbero consentire la progettazione di nuovi, materiali multifunzionali che mostrano risposte specifiche alle onde, aprendo la strada a materiali iperuniformi ingegnerizzati con proprietà efficaci esotiche. Potrebbero un giorno consentire la progettazione di compositi multifunzionali che potrebbero includere componenti strutturali per veicoli spaziali, che richiedono elevata rigidità e assorbimento elettromagnetico, o dissipatori di calore per unità di elaborazione centrale (CPU) e altri dispositivi elettrici in grado di sopprimere contemporaneamente le vibrazioni meccaniche.

"Questo lavoro ha avuto successo grazie alle intuizioni del professor Torquato nel lavorare tra le discipline. È stato entusiasmante collegare le conoscenze di due diverse comunità, ottica e acustica, per realizzare questa ricerca, " ha detto Kim.