PDF Basket
Metamateriały akustyczne to mezostruktury (od mikroskopowej do makroskopowej wielkości), które mogą kontrolować, manipulować i kierować falami dźwiękowymi poprzez zmianę ich właściwości. Dokonany w ostatnich latach rozwój tych struktur doprowadził do powstania tzw. materiałów fonicznych, które mogą aktywnie kształtować przepływ fal dźwiękowych w ściśle określony sposób.
Na przykład materiały fononiczne o zerowym lub nawet ujemnym współczynniku załamania mogą kontrolować dźwięk w skali podfalowej, umożliwiając precyzyjne manipulowanie polem akustycznym i energią akustyczną.
Tworzy to nowe możliwości zastosowania, m.in. w takich technologiach jak kamuflaż akustyczny, a także pozwala na badanie mechaniki kwantowej poprzez poszerzenie wiedzy na temat podstawowych właściwości fizycznych fal dźwiękowych.
„Chcieliśmy odkryć zupełnie nowe właściwości związane z fizyką fal dźwiękowych”, wyjaśnia Johan Christensen, stypendysta z Uniwersytetu Karola III w Madrycie. „Naszym celem było także ulepszenie pewnych aspektów technologii akustycznych obecnych w naszym codziennym życiu”, mówi.
Obie te kwestie stanowiły trzon finansowanego przez UE projektu PHONOMETA, realizowanego przy wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. „Wymaga to zagłębienia się w mechanikę kwantową i przeniesienia uzyskanej wiedzy na akustykę”, dodaje Christensen, który pełnił rolę koordynatora projektu.
Czerpanie z fizyki teoretycznej
W ramach projektu PHONOMETA powstała nowa klasa sztucznych materiałów zwanych układami symetrii PT. Symetria PT to podstawowe pojęcie w mechanice kwantowej, zgodnie z którym układ rozwija się dokładnie w ten sam sposób niezależnie od tego, czy czas biegnie do przodu, czy do tyłu, a jednocześnie jest przekształcany w swoje lustrzane odbicie.
Z kolei w akustyce układy symetrii PT to materiały sztuczne zawierające jednostki wzmacniające fale dźwiękowe i jednostki redukujące amplitudę fali.
„Połączenie obu, zainspirowane mechaniką kwantową, prowadzi do bardzo nietypowej charakterystyki rozchodzenia się fal dźwiękowych”, wyjaśnia Christensen.
W akustyce łatwo o jednostkę redukującą: każda gąbka lub materiał podobny do pianki powoduje utratę energii dźwięku. Trudniej jest w przypadku jednostek wzmacniających, zauważa Christensen. W optyce efekt ten można uzyskać za pomocą lasera, ale w akustyce taka technologia nie istnieje.
Zespół projektu PHONOMETA początkowo zamierzał wykorzystać półprzewodniki piezoelektryczne – materiały, które mogą wzmacniać fale dźwiękowe pod wpływem pola elektrycznego.
Na późniejszych etapach zespół ustalił, że lepiej sprawdzą się folie z nanorurek węglowych. Folie te, składające się ze stosu arkuszy grafenu, mają wyjątkowe właściwości elektryczne, mechaniczne i optyczne, co zapewnia wyższy poziom kontroli. Christensen i jego zespół wykorzystali te materiały jako jednostki wzmacniające w swoich układach symetrii PT.
Wygłuszająca peleryna
Jednym z kluczowych osiągnięć tego projektu było wykorzystanie właściwości całkowitej absorpcji światła w tych nowych materiałach. Po osiągnięciu pewnego progu, przy zwiększonym kontraście redukcji i wzmocnienia, materiał nie generuje echa, stając się akustycznie transparentny i przez to niewidzialny. Zespół rozwinął tę koncepcję, tworząc pelerynę-niewidkę.
„Od wieków ludzie marzyli o pelerynie-niewidce, która mogłaby uczynić ukrytą pod nią osobę niewidzialną dla gołego oka”, zauważa Christensen. W optyce oznacza to nie tylko całkowitą absorpcję światła, ale także eliminację cienia rzucanego przez obiekt.
Zespół dokonał dokładnie tego samego pod względem akustyki, ukrywając obiekt wielkości lodówki. „Połączenie wzmacniania i redukcji umożliwia eliminację odbicia oraz zmniejszenie efektu cienia akustycznego”, mówi Christensen. Dalsze ulepszanie tej technologii może przyczynić się do znacznego rozwoju technologii kamuflażu większych obiektów, takich jak łodzie podwodne.