A reciprocidade nem sempre é uma coisa boa.

Na física, por exemplo, trata-se de ondas eletromagnéticas e acústicas. A ideia é que as ondas viajam para trás e para a frente da mesma maneira. O que é bom, exceto que as ondas encontram obstáculos (arranha-céus, vento, pessoas) que fazem com que percam energia.

Mas e se você pudesse quebrar essa regra e guiar as ondas para contornar esses obstáculos? Ou um objeto absorveu completamente a onda em uma direção específica? Essas funcionalidades podem alterar o quão eletrônico, dispositivos fotônicos e acústicos são projetados e usados.

Os engenheiros da University at Buffalo deram um passo nessa direção. Trabalhando em um campo emergente conhecido como "metamateriais que variam no espaço-tempo, "os engenheiros demonstraram a capacidade de quebrar a reciprocidade em ondas acústicas.

Um estudo que descreve seu trabalho, que é apoiado pela National Science Foundation, foi publicado em 14 de fevereiro em Revisão Física Aplicada cartas, um jornal publicado pela American Physical Society.

"Demonstramos experimentalmente que é possível quebrar a reciprocidade em ondas acústicas com propriedades materiais que mudam simultaneamente no tempo e no espaço, "diz o investigador principal do projeto, Mostafa Nouh, Ph.D., professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.

Os co-autores são M. Ali Attarzadeh e Jesse Callanan, ambos Ph.D. candidatos no laboratório de Nouh.

Para conduzir os experimentos, Nouh e os alunos construíram uma viga que consiste em um termoplástico comum (acrilonitrila butadieno estireno, ou ABS) barra equipada com 20 ressonadores de alumínio, cada um em forma de retângulo.

Os motores permitem que os engenheiros programem cada ressonador, que são agrupados em pares de quatro, para girar em intervalos de ângulo de 45 graus. Por exemplo, o primeiro ressonador está em 0 graus, o segundo a 45 graus, a terceira a 90 graus e a quarta a 135 graus. O próximo grupo de quatro segue o mesmo padrão, e assim por diante.

O giro é uma função do espaço (os intervalos de 45 graus) e do tempo (os milissegundos entre suas orientações angulares). Daí o nome, metamateriais que variam no espaço-tempo.

Quando ativado, os ressonadores giratórios parecem pistões de carro que giram em vez de bombear para cima e para baixo. O que eles estão fazendo, Contudo, está mudando a "rigidez da viga, "que é a sua resistência a ser deformado por uma força aplicada.

Antes de testar a viga, a equipe realizou simulações de computador que previram que a reciprocidade seria interrompida em variações muito rápidas de rigidez. Em outras palavras, quanto mais rápido os ressonadores giram, é mais provável que eles quebrem a reciprocidade.

Então, os engenheiros aumentaram os motores para 2, 000 rotações por minuto (rpm). Para ver se isso foi rápido o suficiente, os engenheiros enviaram vibrações (uma onda acústica) através do feixe por meio de um atuador piezolelétrico. Usando um vibrômetro Doppler a laser de varredura, bem como uma câmera de imagem térmica (para garantir que leves flutuações de temperatura não influenciassem o experimento), Nouh e os alunos descobriram que o padrão no qual a onda retornou à sua origem divergia amplamente de seu curso inicial.

“Esta é uma evidência de que a onda está agindo de forma não recíproca, "diz Callanan.

Em outro teste, com os ressonadores girando apenas a 100 rpm, a rigidez da viga mal se mexeu. Nouh e os alunos descobriram que a onda voltou ao seu ponto de origem da mesma forma que saiu, indicando que a reciprocidade não foi quebrada.

"Os experimentos não demonstram apenas nossa capacidade de quebrar a reciprocidade das ondas acústicas, mas confirme nossa hipótese de que tal quebra é contingente à velocidade das modulações de rigidez por meio da ação giratória, "diz Attarzadeh.

A capacidade de manipular ondas dessa maneira, uma primeira prova de conceito desse tipo, tem muitos usos possíveis. Por exemplo, você pode construir uma parede que permita que o som passe facilmente em uma direção, mas não na direção oposta. Isso poderia melhorar a forma como os veículos autônomos se comunicam uns com os outros. Pode aumentar a resolução de imagens médicas por meio de ultrassom, que normalmente sofre de uma limitação chamada "artefatos de reflexão" que podem levar os médicos a interpretar mal as imagens.

Mas Nouh alerta que a conquista do laboratório ainda não está pronta para comercialização. Por exemplo, a viga que a equipe construiu é grande e precisaria ser reduzida, provavelmente por meio de impressão 3-D ou outras ferramentas de nanofabricação. Também, os materiais que a equipe usou esquentam muito rapidamente. Para superar isso, materiais mais avançados e mais caros são provavelmente necessários.