Os pesquisadores da Empa desenvolveram cristais fonônicos quirais e construíram um modelo funcional no qual as medições de vibração são agora realizadas. Crédito:Empa
Uma equipe de pesquisadores acústicos da Empa construiu estruturas cristalinas macroscópicas que usam rotação interna para atenuar a propagação das ondas. O método torna possível construir materiais muito leves e rígidos que também podem "engolir" baixas frequências muito bem, como eles relatam no jornal Nature Communications .
O mundo dos cristais oferece muitas propriedades interessantes:os cristais podem lançar faíscas elétricas em isqueiros descartáveis, por exemplo, eles podem produzir luz polarizada e podem espalhar raios-X agrupados em milhares de reflexos individuais que são refratados em todas as direções espaciais.
Algumas dessas propriedades são mantidas mesmo se as estruturas de cristal atômico forem aumentadas cerca de 100, 000, 000 vezes e os cristais são replicados em grande escala. Os físicos têm aproveitado isso há vários anos:se os cristais originais espalham os raios X com comprimentos de onda muito curtos, as cópias ampliadas podem espalhar oscilações com comprimentos de onda longos em todas as direções. Uma maneira muito elegante de amortecimento de vibrações foi assim encontrada. Estruturas cristalinas aumentadas com tais propriedades acústicas são chamadas de cristais fonônicos.
Andrea Bergamini e sua equipe do Departamento de Acústica / Redução de Ruído da Empa conseguiram agora integrar propriedades adicionais aos cristais que não estão presentes nos originais. Os pesquisadores construíram pequenos, placas giratórias nas estruturas de cristal, que são capazes de converter as oscilações ao longo do eixo longitudinal em movimentos de torção. Pela primeira vez, uma oscilação indesejável não pode apenas ser espalhada em diferentes direções espaciais, mas também pode ser convertido em energia térmica.
Em uma etapa posterior, Bergamini e seus colegas de pesquisa uniram vários dos discos giratórios do cristal. Isso pode ser feito de duas maneiras diferentes:ou todos os discos giram na mesma direção (arranjo isotático) ou eles estão alternadamente conectados uns aos outros com suas direções de rotação (arranjo sindiotático). O efeito difere dramaticamente:o arranjo sindiotático ABAB da direção de rotação cria um chamado gap de banda de frequência. Uma ampla gama de oscilações é "engolida" pelo mecanismo de rotação e não passa pelo cristal. Por outro lado, o arranjo isotático AAAA dos movimentos rotativos gera novas ondas com frequências semelhantes, que são transmitidos através do cristal. Um componente mecânico com certa geometria, portanto, determina se o cristal é isolante ou condutor. A equipe já publicou os resultados da pesquisa na edição atual da revista Nature Communications .
Medição de vibração ultrassônica no modelo do cristal fonônico quiral. Os resultados são muito promissores. Crédito:Empa
A "janela de criptografia" é uma possível aplicação para cristais fonônicos. Ele distorce a fala de maneira puramente mecânica - sem eletrônicos ou eletricidade. Crédito:Gian Vaitl / Empa
A "janela de criptografia"
Mas como essas lacunas de banda de frequência de oscilação podem ser usadas? Enquanto isso, um primeiro modelo foi desenvolvido em laboratório mostrando uma possível função dos cristais fonônicos:Bergamini construiu uma janela a partir de duas placas de Plexiglass nas quais discos rotativos em arranjo sindiotático são integrados. O tamanho dos discos é ajustado à frequência da fala humana. A ideia:quando certas frequências são filtradas da fala, o conteúdo falado torna-se incompreensível para o ouvinte. O cérebro humano não pode mais reunir as informações acústicas em um significado. Os primeiros testes no laboratório de acústica mostram:a abordagem é muito promissora. Você pode ver claramente as pessoas falando e também ouvir quem está falando de forma abafada. Mas nem uma única palavra pode ser entendida claramente a partir do texto falado.
Bergamini e seus colegas esperam que isso seja transparente, cristais fonônicos podem ser interessantes para arquitetos e designers de interiores. Este truque físico torna possível produzir materiais de construção rígidos com uma forma estável que isolam muito bem o som e podem ser até 100 vezes mais leves do que outros materiais isolantes fonônicos que têm o mesmo efeito. Na engenharia mecânica, construção de aeronaves e construção automotiva leve, também, a filtragem de frequências interferentes com materiais isolantes de design leve pode em breve desempenhar um papel importante.
