Ett team av Empa akustiska forskare har byggt makroskopiska kristallstrukturer som använder intern rotation för att dämpa utbredningen av vågor. Metoden gör det möjligt att bygga mycket lätta och styva material som också kan "svälja" låga frekvenser mycket bra, som de rapporterar i journalen Naturkommunikation .

Kristallvärlden erbjuder många intressanta egenskaper:kristaller kan slå elektriska gnistor i engångständare, till exempel, de kan producera polariserat ljus och de kan sprida buntade röntgenstrålar till tusentals individuella reflexer som bryts i alla rumsliga riktningar.

Vissa av dessa egenskaper bibehålls även om de atomära kristallstrukturerna förstoras cirka 100, 000, 000 gånger och kristallerna replikeras i stor skala. Fysiker har utnyttjat detta i flera år nu:Om de ursprungliga kristallerna sprider röntgenstrålar med mycket korta våglängder, de förstorade kopiorna kan sprida svängningar med långa våglängder i alla riktningar. Ett mycket elegant sätt för vibrationsdämpning har alltså hittats. Förstorade kristallstrukturer med sådana akustiska egenskaper kallas fononiska kristaller.

Andrea Bergamini och hans team från Empas avdelning för akustik/brusreducering har nu lyckats integrera ytterligare egenskaper i kristallerna som inte finns i originalen. Forskarna byggde små, roterande plattor in i kristallstrukturerna, som kan omvandla svängningar längs längdaxeln till vridrörelser. För första gången, en oönskad svängning kan inte bara spridas i olika rumsliga riktningar, men kan också omvandlas till termisk energi.

I ett ytterligare steg, Bergamini och hans forskarkollegor kopplade ihop flera av de roterande skivorna i kristallen. Detta kan göras på två olika sätt:antingen roterar alla skivor i samma riktning (isotaktisk arrangemang) eller så är de växelvis kopplade till varandra med sina rotationsriktningar (syndiotaktisk arrangemang). Effekten skiljer sig dramatiskt:det syndiotaktiska ABAB-arrangemanget av rotationsriktningen skapar ett så kallat frekvensbandsgap. Ett brett spektrum av oscillationer "sväljs" av rotationsmekanismen och passerar inte genom kristallen. Å andra sidan, det isotaktiska AAAA-arrangemanget av de roterande rörelserna genererar nya vågor med liknande frekvenser, som överförs genom kristallen. En mekanisk komponent med viss geometri avgör därför om kristallen är isolerande eller ledande. Teamet har nu publicerat forskningsresultaten i det aktuella numret av tidskriften Naturkommunikation .

"Kryptografifönstret"

Men hur kan sådana oscillationsfrekvensbandsgap användas? Sålänge, en första modell har utvecklats i laboratoriet som visar en möjlig funktion av fononiska kristaller:Bergamini byggde ett fönster av två plexiglasplattor i vilka roterande skivor i syndiotaktisk uppställning är integrerade. Storleken på skivorna är inställd på frekvensen av mänskligt tal. Tanken:när vissa frekvenser filtreras bort från tal, det talade innehållet blir obegripligt för lyssnaren. Den mänskliga hjärnan kan inte längre sammanställa den akustiska informationen till en mening. De första testerna i akustiklaboratoriet visar:tillvägagångssättet är mycket lovande. Du kan tydligt se de pratande människorna och även höra vem som pratar på ett dämpat sätt. Men inte ett enda ord kan förstås tydligt från den talade texten.

Bergamini och hans kollegor förväntar sig att transparent, fononiska kristaller kan vara intressanta för arkitekter och inredningsarkitekter. Detta fysiska knep gör det möjligt att producera styva byggmaterial med stabil form som isolerar ljud mycket bra och kan vara upp till 100 gånger lättare än andra fononiska isoleringsmaterial som har samma effekt. I maskinteknik, flygplanskonstruktion och lätta fordonskonstruktioner, för, filtreringen av störande frekvenser med lättviktsdesignade isoleringsmaterial kan snart spela en stor roll.