Los investigadores han estado impulsando las capacidades de los materiales al diseñar cuidadosamente estructuras precisas que exhiben propiedades anormales que pueden controlar las ondas acústicas u ópticas. Sin embargo, estos metamateriales se construyen en geometrías fijas, lo que significa que sus habilidades únicas siempre son fijas. Ahora, El nuevo metamaterial impreso en 3-D desarrollado por un equipo dirigido por investigadores de la Universidad del Sur de California se puede cambiar de forma remota entre control activo y estados pasivos.

Qiming Wang y Ph.D., profesor asistente de la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi. estudiante Kun-Hao Yu, junto con el profesor del MIT Nicholas Fang y el profesor de la Universidad de Missouri Guoliang Huang, han desarrollado metamateriales impresos en 3-D capaces de bloquear las ondas sonoras y las vibraciones mecánicas. A diferencia de los metamateriales actuales, estos se pueden encender o apagar de forma remota mediante un campo magnético. Sus materiales se pueden utilizar para la cancelación de ruido, control de vibraciones y camuflaje sónico, que se puede utilizar para ocultar objetos de las ondas acústicas.

"Cuando fabricas una estructura, la geometría no se puede cambiar, lo que significa que la propiedad es fija. La idea aquí es, podemos diseñar algo muy flexible para que puedas cambiarlo usando controles externos, "dijo Wang, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental.

Los metamateriales se pueden utilizar para manipular fenómenos de ondas como el radar, sonido y luz y se han utilizado para desarrollar tecnología como dispositivos de camuflaje y sistemas de comunicación mejorados. Los metamateriales del equipo son capaces de controlar los sonidos ambientales y las vibraciones estructurales, que tienen formas de onda similares. Al imprimir en 3D un material deformable que contiene partículas de hierro en una estructura de celosía, sus metamateriales se pueden comprimir mediante un campo magnético.

"Puedes aplicar una fuerza magnética externa para deformar la estructura y cambiar la arquitectura y la geometría dentro de ella. Una vez que cambias la arquitectura, cambias la propiedad, "Dijo Wang." Queríamos lograr este tipo de libertad para cambiar de estado. Usando campos magnéticos, el cambio es reversible y muy rápido ".

El campo magnético comprime el material, pero a diferencia de una fuerza de contacto físico como una placa de metal, el material no está restringido. Por lo tanto, cuando una onda acústica o mecánica entra en contacto con el material, lo perturba, generando las propiedades únicas que bloquean el paso de las ondas sonoras y las vibraciones mecánicas de ciertas frecuencias.

El mecanismo se basa en las propiedades anormales de sus metamateriales:módulo negativo y densidad negativa. En materiales cotidianos, ambos son positivos.

"El material con un módulo negativo o una densidad negativa puede atrapar sonidos o vibraciones dentro de la estructura a través de resonancias locales para que no se puedan transferir a través de ella, "Dijo Yu.

Típicamente, cuando empujas un objeto, te empuja hacia atrás. A diferencia de, los objetos con módulo negativo te atraen, tirando de ti hacia ellos mientras empujas. Los objetos que presentan una densidad negativa funcionan de manera igualmente contradictoria. Cuando empujas estos objetos lejos de ti, en cambio, se mueven hacia ti.

Una propiedad negativa, módulo negativo o densidad negativa, puede funcionar de forma independiente para bloquear el ruido y detener las vibraciones dentro de ciertos regímenes de frecuencia. Sin embargo, cuando trabajamos juntos, el ruido o la vibración pueden volver a pasar. El equipo es capaz de mantener un control versátil sobre el metamaterial, cambiar entre doble positivo (paso de sonido), negativo simple (bloqueo de sonido), y doble negativo (sonido que pasa) simplemente cambiando el campo magnético.

"Esta es la primera vez que los investigadores han demostrado un cambio reversible entre estas tres fases utilizando estímulos remotos, "Dijo Wang.

Direcciones futuras

Wang cree que pueden demostrar otra propiedad única llamada refracción negativa, en el que una onda atraviesa el material y regresa en un ángulo antinatural, que según Wang es, "anti-física". Planean estudiar más este fenómeno una vez que sean capaces de fabricar estructuras más grandes.

"Queremos reducir o ampliar nuestro sistema de fabricación, ", Dijo Wang." Esto nos daría más oportunidades de trabajar en una gama más amplia de longitudes de onda ".

Con su sistema actual, solo pueden imprimir material en 3D con un diámetro de haz de entre un micrón y un milímetro. Pero el tamaño importa. Los haces más pequeños controlarían ondas de frecuencia más alta, y los haces más grandes afectarían a las ondas de frecuencia más baja.

"De hecho, existen varias aplicaciones posibles para controlar de forma inteligente la acústica y las vibraciones, "Yu dijo." Los materiales de ingeniería tradicionales solo pueden proteger de la acústica y las vibraciones, pero pocos de ellos pueden cambiar entre encendido y apagado ".