Este 'metamaterial' controla de que forma o som se reflete a partir dele, controlando a velocidade e amplitude da onda sonora através dos canais e formas construídas dentro dele. Crédito:Steve Cummer, Universidade Duke
Pesquisadores da Duke University e da Aalto University (Finlândia) construíram um dispositivo "metaespelho" capaz de refletir perfeitamente as ondas sonoras em qualquer direção. A demonstração de prova de princípio é análoga a olhar diretamente no espelho e ver apenas a pessoa ao seu lado, em vez de seu próprio rosto.
A pesquisa apareceu online em 15 de fevereiro no jornal Avanços da Ciência .
"Quando você olha em um espelho do dia a dia, a luz segue a Lei da Reflexão:a luz deve refletir nela no mesmo ângulo em que entrou, "disse Junfei Li, estudante de doutorado em engenharia elétrica e da computação na Duke University. As mesmas regras geralmente se aplicam ao som, mas "queríamos ver se, em vez disso, poderíamos enviar uma onda em uma direção diferente".
Para quebrar a lei da reflexão com ondas sonoras, os pesquisadores tiveram que projetar um dispositivo que pudesse controlar com precisão a amplitude (volume) e a velocidade em toda a onda, o que é ainda mais difícil do que parece.
"Uma maneira de conseguir isso é lançando magicamente uma onda de som controlada com precisão que 'atinge' a onda de som que entra como bolas em uma mesa de bilhar, "disse Li." Mas tentar fazer isso causaria tantos problemas que não é uma ideia prática. "
Em vez de recorrer à magia, Li e seus colegas se voltaram para metamateriais - materiais artificiais que manipulam ondas como luz e som por meio de sua estrutura, em vez de sua química. Por exemplo, enquanto o metamaterial específico que os pesquisadores desenvolveram é feito de plástico, não são as propriedades do plástico que são importantes; são as formas dos recursos do dispositivo que permitem que ele direcione as ondas sonoras em qualquer direção.
O 'meta-espelho' foi cuidadosamente projetado para fazer uma onda sonora que vem direto para ele refletir em um ângulo diferente com perdas de espalhamento zero. Crédito:Steve Cummer, Universidade Duke
A superfície do metamaterial se parece muito com uma onda, gravado com uma série de canais de várias profundidades. Essas profundidades são projetadas para controlar com precisão a velocidade na qual a onda sonora reflete em vários pontos do metaespelho. Seu posicionamento em forma de onda controla a amplitude da onda sonora.
"Porque uma onda sonora carrega energia, você tem que dar um chute para redirecioná-lo, "disse Steve Cummer, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke. "Mas para fazer isso perfeitamente, você tem que redistribuir ativamente a energia ao longo da superfície do meta-espelho, o que não é viável, ou você tem que escolher habilmente uma forma em que a distribuição de energia acabe sendo a mesma em todos os lugares. "
Quando uma onda sonora atinge o meta-espelho, ele se reflete em suas superfícies curvas e interfere em si mesmo. Entre a forma do meta-espelho e a profundidade de seus canais, esse padrão de interferência resulta na onda de som refletindo em uma direção desejada sem que nenhuma de sua energia seja absorvida ou espalhada em uma direção indesejada.
Na demonstração de prova de conceito, o dispositivo de metamaterial leva uma onda sonora viajando diretamente em direção a ele em 3, 000 Hertz, um tom muito alto, semelhante a um "zumbido nos ouvidos, "e reflete perfeitamente em um ângulo de 70 graus.
Modelos teóricos e resultados experimentais de uma onda sonora (alternando as frentes vermelha e azul) refletindo em uma direção estranha de um 'metespelho' relativamente plano. Crédito:Steve Cummer, Universidade Duke
Embora o dispositivo protótipo seja especificamente adaptado para uma frequência e ângulo de reflexão, os pesquisadores planejam buscar um dispositivo dinâmico que pode mudar de forma para refletir diferentes frequências em diferentes direções. Eles também planejam trabalhar em dispositivos semelhantes para aplicações acústicas subaquáticas.
Um dispositivo semelhante também pode ser criado para controlar as ondas de luz, embora seus recursos tivessem que ser projetados em uma escala muito menor, porque os comprimentos de onda da luz são mais curtos. Tal dispositivo não seria apenas capaz de refletir a luz em diferentes direções, Contudo, também pode dividir uma única onda em duas direções arbitrárias.
"Não apenas descobrimos uma maneira de projetar metassuperfícies altamente eficientes, também podemos adaptar o design para diferentes funcionalidades, "disse Ana Díaz-Rubio, um pesquisador de pós-doutorado na Aalto University que liderou o trabalho na teoria subjacente do projeto. "Essas metassuperfícies são uma plataforma versátil para controle arbitrário de reflexão."
