Los investigadores de Empa desarrollaron cristales fonónicos quirales y construyeron un modelo funcional en el que ahora se llevan a cabo mediciones de vibraciones. Crédito:Empa
Un equipo de investigadores acústicos de Empa ha construido estructuras cristalinas macroscópicas que utilizan la rotación interna para atenuar la propagación de ondas. El método permite construir materiales muy ligeros y rígidos que también pueden "tragar" muy bien las bajas frecuencias, como informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
El mundo de los cristales ofrece muchas propiedades interesantes:los cristales pueden producir chispas eléctricas en los encendedores desechables, por ejemplo, pueden producir luz polarizada y pueden dispersar rayos X agrupados en miles de reflejos individuales que se refractan en todas las direcciones espaciales.
Algunas de estas propiedades se conservan incluso si las estructuras cristalinas atómicas se agrandan alrededor de 100, 000, 000 veces y los cristales se replican a gran escala. Los físicos se han estado aprovechando de esto durante varios años:si los cristales originales dispersan los rayos X con longitudes de onda muy cortas, las copias ampliadas pueden dispersar oscilaciones con longitudes de onda largas en todas las direcciones. Se ha encontrado así una forma muy elegante de amortiguar las vibraciones. Las estructuras cristalinas agrandadas con tales propiedades acústicas se denominan cristales fonónicos.
Andrea Bergamini y su equipo del Departamento de Acústica / Reducción de Ruido de Empa han logrado integrar propiedades adicionales en los cristales que no están presentes en los originales. Los investigadores construyeron pequeños placas giratorias en las estructuras cristalinas, que son capaces de convertir oscilaciones a lo largo del eje longitudinal en movimientos de torsión. Por primera vez, una oscilación indeseable no solo se puede dispersar en diferentes direcciones espaciales, pero también se puede convertir en energía térmica.
En un paso más, Bergamini y sus colegas de investigación unieron varios de los discos giratorios del cristal. Esto se puede hacer de dos formas diferentes:o todos los discos giran en la misma dirección (disposición isotáctica) o se conectan alternativamente entre sí con sus direcciones de rotación (disposición sindiotáctica). El efecto difiere dramáticamente:la disposición sindiotáctica ABAB de la dirección de rotación crea una llamada banda prohibida de frecuencia. Una amplia gama de oscilaciones es "tragada" por el mecanismo de rotación y no pasa a través del cristal. Por otra parte, la disposición isotáctica AAAA de los movimientos rotativos genera nuevas ondas con frecuencias similares, que se transmiten a través del cristal. Por tanto, un componente mecánico con cierta geometría determina si el cristal es aislante o conductor. El equipo ha publicado ahora los resultados de la investigación en el número actual de la revista. Comunicaciones de la naturaleza .
Medición de vibraciones ultrasónicas en el modelo del cristal fonónico quiral. Los resultados son muy prometedores. Crédito:Empa
La "ventana de criptografía" es una posible aplicación para cristales fonónicos. Distorsiona el habla de forma puramente mecánica, sin electrónica ni electricidad. Crédito:Gian Vaitl / Empa
La "Ventana de criptografía"
Pero, ¿cómo se pueden utilizar tales intervalos de banda de frecuencia de oscilación? Mientras tanto, Se ha desarrollado un primer modelo en laboratorio que muestra una posible función de los cristales fonónicos:Bergamini construyó una ventana a partir de dos placas de plexiglás en las que se integran discos giratorios en disposición sindiotáctica. El tamaño de los discos se ajusta a la frecuencia del habla humana. La idea:cuando se filtran ciertas frecuencias del habla, el contenido hablado se vuelve incomprensible para el oyente. El cerebro humano ya no puede ensamblar la información acústica en un significado. Las primeras pruebas en el laboratorio de acústica muestran:el enfoque es muy prometedor. Puede ver claramente a las personas que hablan y también escuchar quién habla en voz baja. Pero ni una sola palabra puede entenderse claramente del texto hablado.
Bergamini y sus colegas esperan que sea transparente, Los cristales fonónicos pueden resultar interesantes para arquitectos e interioristas. Este truco físico permite producir materiales de construcción rígidos con una forma estable que aíslan muy bien el sonido y pueden ser hasta 100 veces más ligeros que otros materiales aislantes fonónicos que tienen el mismo efecto. En ingeniería mecánica, construcción de aviones y construcción de automóviles ligeros, también, el filtrado de las frecuencias de interferencia con materiales aislantes de diseño ligero pronto podría desempeñar un papel importante.
