Los ingenieros y científicos de la Universidad de Texas en Austin y el instituto AMOLF en los Países Bajos han inventado los primeros metamateriales mecánicos que transfieren fácilmente el movimiento sin esfuerzo en una dirección mientras lo bloquean en la otra. como se describe en un artículo publicado el 13 de febrero en Naturaleza . El material se puede considerar como un escudo mecánico unidireccional que bloquea la entrada de energía, pero la transmite fácilmente al salir por el otro lado.

Los investigadores desarrollaron los primeros materiales mecánicos no recíprocos utilizando metamateriales, que son materiales sintéticos con propiedades que no se encuentran en la naturaleza.

Romper la simetría del movimiento puede permitir un mayor control de los sistemas mecánicos y una mayor eficiencia. Estos metamateriales no recíprocos pueden potencialmente usarse para realizar nuevos tipos de dispositivos mecánicos:por ejemplo, actuadores (componentes de una máquina que son responsables de mover o controlar un mecanismo) y otros dispositivos que podrían mejorar la absorción de energía, conversión y cosecha, robótica blanda y prótesis.

El avance de los investigadores radica en la capacidad de superar la reciprocidad, un principio fundamental que rige muchos sistemas físicos, lo que asegura que obtengamos la misma respuesta cuando empujamos una estructura arbitraria desde direcciones opuestas. Este principio gobierna cómo las señales de diversas formas viajan en el espacio y explica por qué, si podemos enviar una radio o una señal acústica, también podemos recibirlo. En mecánica, La reciprocidad implica que el movimiento a través de un objeto se transmite simétricamente:si al empujar el lado A movemos el lado B en una cierta cantidad, podemos esperar el mismo movimiento en el lado A al empujar B.

"Los metamateriales mecánicos que creamos proporcionan nuevos elementos en la paleta que los científicos de materiales pueden usar para diseñar estructuras mecánicas, "dijo Andrea Alu, profesor de la Escuela de Ingeniería Cockrell y coautor del artículo. "Esto puede ser de gran interés para aplicaciones en las que es deseable romper la simetría natural con la que viaja el desplazamiento de moléculas en la microestructura de un material".

Durante los últimos dos años, Alu, junto con el científico investigador de la Escuela Cockrell, Dimitrios Sounas y otros miembros de su equipo de investigación, han logrado avances emocionantes en el área de dispositivos no recíprocos para electromagnetismo y acústica, incluyendo la realización de los primeros dispositivos no recíprocos para el sonido, ondas de radio y luz. Durante su visita al instituto AMOLF en los Países Bajos, iniciaron una fructífera colaboración con Corentin Coulais, un investigador de AMOLF, quien recientemente ha estado desarrollando metamateriales mecánicos. Su estrecha interacción condujo a este gran avance.

Los investigadores crearon por primera vez un metamaterial a escala de centímetros con un diseño de esqueleto de espina de pescado específicamente diseñado. Adaptaron su diseño para cumplir con las principales condiciones para romper la reciprocidad, a saber, asimetría y una respuesta que no es linealmente proporcional a la fuerza ejercida.

"Esta estructura nos sirvió de inspiración para el diseño de un segundo metamaterial, con propiedades no recíprocas inusualmente fuertes, ", Dijo Coulais." Sustituyendo los elementos geométricos simples del metamaterial espina de pescado con una arquitectura más intrincada hecha de cuadrados y diamantes conectados, Descubrimos que podemos romper muy fuertemente las condiciones de reciprocidad, y podemos lograr una respuesta no recíproca muy amplia ".

La estructura del material es una celosía de cuadrados y rombos completamente homogénea en toda la muestra, como un material ordinario. Sin embargo, cada unidad de la celosía está ligeramente inclinada de cierta manera, y esta sutil diferencia controla dramáticamente la forma en que el metamaterial responde a los estímulos externos.

"El metamaterial en su conjunto reacciona asimétricamente, con un lado muy rígido y un lado muy suave, "Dijo Sounas." La relación entre la asimetría de la unidad y la ubicación del lado blando se puede predecir mediante un marco matemático muy genérico llamado topología. Aquí, cuando las unidades arquitectónicas se inclinan a la izquierda, el lado derecho del metamaterial será muy suave, y viceversa."

Cuando los investigadores aplican una fuerza en el lado blando del metamaterial, induce fácilmente rotaciones de cuadrados y diamantes dentro de la estructura, pero solo en las proximidades del punto de presión, y el efecto en el otro lado es pequeño. En cambio, cuando aplican la misma fuerza en el lado rígido, el movimiento se propaga y se amplifica por todo el material, con un gran efecto en el otro lado. Como resultado, empujar desde la izquierda o desde la derecha da como resultado respuestas muy diferentes, produciendo una gran no reciprocidad incluso para pequeñas fuerzas aplicadas.

El equipo espera aprovechar estos metamateriales mecánicos topológicos para diversas aplicaciones, optimizándolos, y tallar dispositivos a partir de ellos para aplicaciones en robótica suave, prótesis y recolección de energía.