Акустический метаматериал научили переключаться под действием магнитного поля

Американские инженеры создали метаматериал для блокировки звуковых волн, который можно включать и выключать с помощью внешнего магнитного поля. Механизм выключения реализуется за счет изменения геометрии структуры материала, в составе которого присутствуют магнитные наночастицы, и смены знака его модуля упругости, пишут ученые в Advanced Materials.

С помощью акустических метаматериалов можно менять частоту акустических волн, поворачивать их, заставлять их проходить там, где они обычно пройти не могут, или наоборот — не давать пройти там, где в нормальном состоянии они двигаются без проблем. Как правило, для создания таких поверхностей используются или периодические структуры, состоящие из массивов акустических микрорезонаторов размером меньше длины волны, но иногда ученые предлагают и другие варианты, основанные на чередовании механических свойств поверхностей без изменения их геометрии. Обычно структуру акустических метаповерхностей сначала рассчитывают на компьютере численно, после чего печатают их на 3D-принтере. Тем не менее, после того, как поверхность готова, обычно с ней ничего сделать уже нельзя, и она обладает, хоть и уникальными, но неизменяемыми свойствами.

Чтобы свойства акустического метаматериала можно было менять уже после его получения, группа американских инженеров под руководством Цимина Вана (Qiming Wang) из Университета Южной Калифорнии разработала способ управления его структурой с помощью магнитного поля. Для этого необходимую структуру печатали из упругого полимерного материала, содержащего магнитные наночастицы из железа. Реагируя на внешнее магнитное поле, частицы фактически становятся источником внешней нагрузки, деформируя материал и изменяя его свойства.

Для проверки предложенной технологии авторы работы выбрали метаматериал, который блокирует прохождение звуковых волн. Структура материала представляет собой решетку из полых полимерных трубочек, соединенных в небольшую периодическую решетку. Не пропускает через себя звуковые волны такой материал именно за счет правильно подобранной геометрии полостей, благодаря которой для решетки становится характерен отрицательный модуль упругости, то есть в ответ на внешнюю нагрузку такой материал не сжимается, а наоборот, растягивается. Поскольку добиться этого поведения можно только в определенном диапазоне механических напряжений, то выйдя за пределы этого диапазона, материал можно привести в «обычное» состояние с положительным модулем упругости.

При включении небольшого внешнего магнитного поля (до 0,4 тесла) материал складывается и за счет такого сжатия можно добиться смены знака модуля упругости. При этом из-за того, что складывание полностью обратимое, метаматериал фактически можно включать и выключать с помощью внешнего магнитного поля.

Инженеры отмечают, что подобный механизм удаленного управления свойствами метаматериалов с возможностью переключения их свойств будет очень полезным для работы различных акустических устройств, и потенциально такое управление можно реализовать для акустических устройств с различными функциями, необходимых, например, для фокусировки, преломления звуковых волн.

Геометрия акустических метаматериалов, которые сейчас получают с помощью 3D-печати, может быть самой разнообразной. Геометрией, необходимой для выполнения основных функций, могут обладать и достаточно простые геометрии: например, с помощью камеры, состоящей из пяти отсеков, ученые смогли преобразовать эванесцентные волны в обычные звуковые и наоборот. А с помощью значительно более сложного по структуре сенсора физикам удалось различить три независимых накладывающихся друг на друга источника звука.

Александр Дубов