Os pesquisadores têm impulsionado os recursos dos materiais ao projetar cuidadosamente estruturas precisas que exibem propriedades anormais que podem controlar ondas acústicas ou ópticas. Contudo, esses metamateriais são construídos em geometrias fixas, o que significa que suas habilidades únicas são sempre fixas. Agora, O novo metamaterial impresso em 3-D desenvolvido por uma equipe liderada por pesquisadores da University of Southern California pode ser alternado remotamente entre o controle ativo e os estados passivos.

Professor assistente da Escola de Engenharia de USC Viterbi Qiming Wang e Ph.D. estudante Kun-Hao Yu, junto com o professor Nicholas Fang do MIT e o professor Guoliang Huang da Universidade de Missouri, desenvolveram metamateriais impressos em 3-D capazes de bloquear ondas sonoras e vibrações mecânicas. Ao contrário dos metamateriais atuais, estes podem ser ligados ou desligados remotamente usando um campo magnético. Seus materiais podem ser usados ​​para cancelamento de ruído, controle de vibração e camuflagem sônica, que pode ser usado para ocultar objetos de ondas acústicas.

"Quando você fabrica uma estrutura, a geometria não pode ser alterada, o que significa que a propriedade é fixa. A ideia aqui é, podemos projetar algo muito flexível para que você possa alterá-lo usando controles externos, "disse Wang, professor assistente de engenharia civil e ambiental.

Metamateriais podem ser usados ​​para manipular fenômenos de ondas, como radar, som e luz e têm sido usados ​​para desenvolver tecnologia, como dispositivos de camuflagem e sistemas de comunicação aprimorados. Os metamateriais da equipe são capazes de controlar sons ambientais e vibrações estruturais, que têm formas de onda semelhantes. Ao imprimir 3-D um material deformável contendo partículas de ferro em uma estrutura de rede, seus metamateriais podem ser comprimidos usando um campo magnético.

"Você pode aplicar uma força magnética externa para deformar a estrutura e mudar a arquitetura e a geometria dentro dela. Depois de mudar a arquitetura, você muda a propriedade, "Disse Wang." Queríamos alcançar esse tipo de liberdade para alternar entre os estados. Usando campos magnéticos, a mudança é reversível e muito rápida. "

O campo magnético comprime o material, mas ao contrário de uma força de contato físico como uma placa de metal, o material não é restrito. Portanto, quando uma onda acústica ou mecânica entra em contato com o material, isso perturba, gerando as propriedades únicas que bloqueiam a passagem de ondas sonoras e vibrações mecânicas de certas frequências.

O mecanismo depende das propriedades anormais de seus metamateriais - módulo negativo e densidade negativa. Em materiais do dia a dia, ambos são positivos.

"O material com módulo negativo ou densidade negativa pode capturar sons ou vibrações dentro da estrutura por meio de ressonâncias locais, de modo que não possam ser transferidos através dela, "Yu disse.

Tipicamente, quando você empurra um objeto, ele empurra de volta contra você. Em contraste, objetos com um módulo negativo atraem você, puxando você em direção a eles enquanto você empurra. Objetos exibindo densidade negativa funcionam de maneira igualmente contraditória. Quando você empurra esses objetos para longe de você, em vez disso, eles se movem em sua direção.

Uma propriedade negativa, módulo negativo ou densidade negativa, pode trabalhar de forma independente para bloquear o ruído e interromper as vibrações dentro de certos regimes de frequência. Contudo, quando trabalhando juntos, o ruído ou vibração pode passar novamente. A equipe é capaz de manter um controle versátil sobre o metamaterial, alternar entre duplo-positivo (passagem de som), negativo único (bloqueio de som), e duplo negativo (passagem de som) apenas comutando o campo magnético.

"Esta é a primeira vez que pesquisadores demonstraram comutação reversível entre essas três fases usando estímulos remotos, "Disse Wang.

Direções futuras

Wang acredita que eles podem demonstrar outra propriedade única chamada refração negativa, em que uma onda atravessa o material e volta em um ângulo não natural, que de acordo com Wang é, "anti-física." Eles planejam estudar mais esse fenômeno, uma vez que sejam capazes de fabricar estruturas maiores.

"Queremos diminuir ou aumentar nosso sistema de fabricação, "Disse Wang." Isso nos daria mais oportunidade de trabalhar em uma gama maior de comprimentos de onda. "

Com seu sistema atual, eles podem imprimir apenas 3-D material com um diâmetro de feixe entre um mícron e um milímetro. Mas o tamanho importa. Feixes menores controlariam ondas de frequência mais alta, e feixes maiores afetariam as ondas de frequência mais baixa.

"De fato, há uma série de aplicações possíveis para controlar de forma inteligente a acústica e as vibrações, "Yu disse." Os materiais de engenharia tradicionais só podem proteger contra a acústica e vibrações, mas poucos deles podem alternar entre ativado e desativado. "