Investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) del Centro de Graduados de la City University of New York y del City College of New York (CCNY) han desarrollado un metamaterial que puede transportar sonido de formas inusualmente robustas a lo largo de sus bordes y localizarlo. en sus esquinas.

Según un nuevo artículo publicado hoy en Materiales de la naturaleza , El material de nueva ingeniería crea una estructura acústica robusta que puede controlar de formas inusuales la propagación y localización del sonido incluso cuando existen imperfecciones de fabricación. Esta propiedad única puede mejorar las tecnologías que utilizan ondas sonoras, como sonares y dispositivos de ultrasonido, haciéndolos más resistentes a los defectos.

La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Alexander Khanikaev, un profesor en los departamentos de ingeniería eléctrica y física de CCNY que también está afiliado a la ASRC, y de Andrea Alù, director de la Iniciativa Fotónica de la ASRC. Su avance se basa en el trabajo que trajo un campo de las matemáticas llamado topología al mundo de la ciencia de los materiales. La topología estudia las propiedades de un objeto que no se ven afectadas por deformaciones continuas. Por ejemplo, una rosquilla es topológicamente equivalente a una pajita de plástico, ya que ambos tienen un agujero. Uno podría moldearse en el otro estirando y deformando el objeto, y sin romperlo ni añadirle nuevos agujeros.

Usando principios topológicos, Los investigadores predijeron y luego descubrieron aislantes topológicos, materiales especiales que conducen corrientes eléctricas solo en sus bordes. no a granel. Sus propiedades de conducción inusuales se derivan de la topología de su banda prohibida electrónica, y, por lo tanto, son inusualmente resistentes a los cambios continuos, como el desorden, ruido o imperfecciones.

"Ha habido mucho interés en tratar de extender estas ideas de las corrientes eléctricas a otros tipos de transporte de señales, en particular a los campos de la fotónica topológica y la acústica topológica, "Dice Alù." Lo que estamos haciendo es construir materiales acústicos especiales que pueden guiar y localizar el sonido de formas muy inusuales ".

Para diseñar su novedoso metamaterial acústico, el equipo imprimió en 3D una serie de pequeños trimers, dispuestas y conectadas en una celosía triangular. Cada unidad de temporizador constaba de tres resonadores acústicos. La simetría rotacional de los trímeros, y la simetría quiral generalizada de la celosía, le dio a la estructura propiedades acústicas únicas que se derivan de la topología de su banda prohibida acústica.

Los modos acústicos de los resonadores se hibridaron, dando lugar a una estructura de banda acústica para todo el objeto. Como resultado, cuando el sonido se reproduce a frecuencias fuera de la banda prohibida, puede propagarse a través de la mayor parte del material. Pero cuando el sonido se reproduce en frecuencias dentro de la banda prohibida, solo puede viajar a lo largo de los bordes del triángulo o localizarse en sus esquinas. Esta propiedad, Alù dice, no se ve afectado por el desorden o los errores de fabricación.

"Podrías eliminar por completo una esquina, y lo que quede formará la nueva esquina de la celosía, y seguirá funcionando de forma similar, debido a la robustez de estas propiedades, "Alù dijo

Para romper estas propiedades, los investigadores tuvieron que reducir la simetría del material, por ejemplo, cambiar el acoplamiento entre las unidades de resonancia, que cambia la topología de la estructura de la banda y, por lo tanto, cambia las propiedades del material.

"Hemos sido los primeros en construir un metamaterial topológico para el sonido que soporta diferentes formas de localización topológica, a lo largo de sus bordes y en sus esquinas. ", Khanikaev dijo. "También demostramos que las técnicas de fabricación avanzadas basadas en elementos acústicos impresos en 3D pueden realizar geometrías de complejidad arbitraria en una plataforma simple y flexible, abriendo oportunidades disruptivas en el campo de los materiales acústicos. Recientemente hemos estado trabajando en diseños de metamateriales 3D aún más complejos basados ​​en estas técnicas, lo que ampliará aún más las propiedades de los materiales acústicos y ampliará las capacidades de los dispositivos acústicos ".

"Estamos mostrando, fundamentalmente, que es posible habilitar nuevas formas de transporte de sonido mucho más robustas de lo que estamos acostumbrados. Estos hallazgos pueden encontrar aplicaciones en imágenes de ultrasonido, acústica subacuática y tecnología de sonar, "Dijo Alù.