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I materiali flessibili potrebbero fornire modi per manipolare il suono e la luce
I materiali flessibili e stratificati strutturati con rughe su scala nanometrica potrebbero fornire un nuovo modo di controllare le lunghezze d'onda e la distribuzione delle onde, sia del suono che della luce. Il nuovo metodo, sviluppato dai ricercatori del MIT, potrebbe eventualmente trovare applicazioni dai test non distruttivi dei materiali alla soppressione del suono e potrebbe anche fornire nuove informazioni sui sistemi biologici morbidi e possibilmente portare a nuovi strumenti diagnostici.
I risultati sono descritti in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista P Lettere di recensione hysical , scritto dal postdoc del MIT Stephan Rudykh e Mary Boyce, un ex professore di ingegneria meccanica al MIT che ora è preside della Fu Foundation School of Engineering and Applied Science presso la Columbia University.
Nella coppia superiore di immagini, le onde sonore (bande blu e gialle) che attraversano un materiale a strati piatti sono solo minimamente interessate. Nelle immagini inferiori, quando il suono attraversa un materiale stratificato rugoso, alcune frequenze del suono vengono bloccate e filtrate dal materiale. Foto per gentile concessione di Felice Frankel
Sebbene sia noto che le proprietà dei materiali influiscono sulla propagazione della luce e del suono, nella maggior parte dei casi queste proprietà vengono fissate quando il materiale viene prodotto o coltivato e sono difficili da modificare in seguito. Ma in questi materiali a strati, modificare le proprietà, ad esempio per regolare un materiale per filtrare specifici colori della luce, può essere semplice come allungare il materiale flessibile.
Questi effetti sono altamente sintonizzabili, reversibili e controllabili, afferma Rudykh. Ad esempio, potremmo cambiare il colore del materiale, o potenzialmente renderlo otticamente o acusticamente invisibile.
I materiali possono essere realizzati attraverso un processo di deposizione strato per strato, perfezionato dai ricercatori del MIT e altrove, che può essere controllato con alta precisione. Il processo consente di determinare lo spessore di ogni strato entro una frazione di una lunghezza d'onda della luce. Il materiale viene quindi compresso, creando al suo interno una serie di pieghe precise la cui spaziatura può causare la dispersione di determinate frequenze di onde (suoni o luci).
Sorprendentemente, dice Rudykh, questi effetti funzionano anche con materiali in cui gli strati alternati hanno densità quasi identiche. Possiamo usare polimeri con densità molto simili e ottenere comunque l'effetto, dice. Il modo in cui le onde si propagano o meno attraverso un materiale dipende dalla microstruttura e possiamo controllarlo, dice.
Progettando quella microstruttura per produrre un insieme desiderato di effetti, quindi alterando quelle proprietà deformando il materiale, possiamo effettivamente controllare questi effetti attraverso stimoli esterni, dice Rudykh. Puoi progettare un materiale che si raggrinzisce a una lunghezza d'onda e un'ampiezza diverse. Se sai di voler controllare una particolare gamma di frequenze, puoi progettarla in questo modo.
La ricerca, che si basa sulla modellazione al computer, potrebbe anche fornire approfondimenti sulle proprietà dei materiali biologici naturali, afferma Rudykh. Capire come le onde si propagano attraverso i tessuti biologici potrebbe essere utile per le tecniche diagnostiche, dice.
Ad esempio, le attuali tecniche diagnostiche per alcuni tipi di cancro comportano procedure dolorose e invasive. In linea di principio, gli ultrasuoni potrebbero fornire le stesse informazioni in modo non invasivo, ma i sistemi a ultrasuoni di oggi mancano di una risoluzione sufficiente. Il nuovo lavoro con i materiali spiegazzati potrebbe portare a un controllo più preciso di queste onde ultrasoniche e quindi a sistemi con una migliore risoluzione, afferma Rudykh.
Il sistema potrebbe essere utilizzato anche per l'occultamento del suono, una forma avanzata di cancellazione del rumore in cui i suoni esterni potrebbero essere completamente bloccati da un certo volume di spazio piuttosto che da un singolo punto, come nelle attuali cuffie con cancellazione del rumore.
La microstruttura con cui iniziamo è molto semplice, afferma Rudykh, e si basa su una produzione strato per strato ben consolidata. Da questo materiale stratificato, possiamo estenderci a microstrutture più complicate e ottenere effetti che non potresti mai ottenere dai materiali convenzionali. In definitiva, tali sistemi potrebbero essere utilizzati per controllare una varietà di effetti nella propagazione della luce, del suono e persino del calore.
George Fytas, professore di scienza dei materiali e capo del gruppo dei polimeri presso l'Università di Creta, in Grecia, afferma che questa è un'idea molto nuova, perché induce un gap fonico direzionale che non esiste nella struttura a strati. Aggiunge che questa scoperta mostra come strumenti teorici consolidati possano prevedere il comportamento di nuovi materiali, il che è impegnativo per gli sperimentali.
La tecnologia è in fase di brevetto e i ricercatori stanno già discutendo con le aziende sulla possibile commercializzazione, afferma Rudykh.
La ricerca è stata supportata dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti attraverso l'Istituto per le nanotecnologie del soldato del MIT.