Pesquisadores do Advanced Science Research Center (ASRC) do The Graduate Center da City University of New York e do City College of New York (CCNY) desenvolveram um metamaterial que pode transportar som de maneiras extraordinariamente robustas ao longo de suas bordas e localizá-lo em seus cantos.

De acordo com um novo artigo publicado hoje em Materiais da Natureza , o material recém-projetado cria uma estrutura acústica robusta que pode controlar de maneiras incomuns a propagação e localização do som, mesmo quando existem imperfeições de fabricação. Esta propriedade única pode melhorar as tecnologias que usam ondas sonoras, como sonares e dispositivos de ultrassom, tornando-os mais resistentes a defeitos.

A pesquisa é uma colaboração entre os laboratórios de Alexander Khanikaev, um professor dos departamentos de engenharia elétrica e física da CCNY, que também é afiliado ao ASRC, e de Andrea Alù, diretor da Iniciativa Fotônica do ASRC. Seu avanço é baseado em trabalhos que trouxeram um campo da matemática chamado topologia para o mundo das ciências dos materiais. A topologia estuda as propriedades de um objeto que não são afetadas por deformações contínuas. Por exemplo, um donut é topologicamente equivalente a um canudo de plástico, já que ambos têm um buraco. Um poderia ser moldado no outro esticando e deformando o objeto, e sem rasgá-lo ou adicionar novos orifícios.

Usando princípios topológicos, pesquisadores previram e mais tarde descobriram isoladores topológicos - materiais especiais que conduzem correntes elétricas apenas em suas bordas, não na massa. Suas propriedades de condução incomuns derivam da topologia de seu gap eletrônico, e eles são, portanto, excepcionalmente resistentes a mudanças contínuas, como desordem, ruído ou imperfeições.

"Tem havido muito interesse em tentar estender essas ideias de correntes elétricas para outros tipos de transporte de sinal, em particular para os campos de fotônica topológica e acústica topológica, "Alù diz." O que estamos fazendo é construir materiais acústicos especiais que podem guiar e localizar o som de maneiras muito incomuns. "

Para projetar seu novo metamaterial acústico, a equipe 3-D-imprimiu uma série de pequenos trimestres, dispostos e conectados em uma rede triangular. Cada unidade de trímero consistia em três ressonadores acústicos. A simetria rotacional dos trímeros, e a simetria quiral generalizada da rede, deu à estrutura propriedades acústicas únicas que resultam da topologia de seu bandgap acústico.

Os modos acústicos dos ressonadores hibridizaram, dando origem a uma estrutura de banda acústica para todo o objeto. Como resultado, quando o som é tocado em frequências fora do intervalo de banda, ele pode se propagar através da maior parte do material. Mas quando o som é tocado em frequências dentro do gap, ele só pode viajar ao longo das bordas do triângulo ou ser localizado em seus cantos. Está Propriedade, Alù diz, não é afetado por desordem ou erros de fabricação.

"Você poderia remover completamente um canto, e o que sobrar formará o novo canto da rede, e ainda funcionará de maneira semelhante, por causa da robustez dessas propriedades, "Alù disse

Para quebrar essas propriedades, os pesquisadores tiveram que reduzir a simetria do material em, por exemplo, mudando o acoplamento entre as unidades de ressonador, que muda a topologia da estrutura da banda e, portanto, muda as propriedades do material.

"Fomos os primeiros a construir um metamaterial topológico para som, suportando diferentes formas de localização topológica, ao longo de suas bordas e cantos. ", Khanikaev disse. "Também demonstramos que técnicas de fabricação avançadas baseadas em elementos acústicos impressos em 3-D podem realizar geometrias de complexidade arbitrária em uma plataforma simples e flexível, abrindo oportunidades disruptivas no campo dos materiais acústicos. Temos trabalhado recentemente em projetos de metamateriais 3-D ainda mais complexos com base nessas técnicas, que irá expandir ainda mais as propriedades dos materiais acústicos e expandir as capacidades dos dispositivos acústicos ".

"Estamos mostrando, fundamentalmente, que é possível viabilizar novas formas de transporte sonoro muito mais robustas do que estamos acostumados. Esses achados podem encontrar aplicações em imagens de ultrassom, acústica subaquática e tecnologia de sonar, "Alù disse.