Forskare har drivit på materialkapaciteten genom att noggrant designa exakta strukturer som uppvisar onormala egenskaper som kan kontrollera akustiska eller optiska vågor. Dock, dessa metamaterial är konstruerade i fasta geometrier, vilket betyder att deras unika förmågor alltid är fasta. Nu, nytt 3D-tryckt metamaterial utvecklat av ett team ledd av forskare vid University of Southern California kan fjärrväxlas mellan aktiv kontroll och passiva tillstånd.

USC Viterbi School of Engineering Biträdande professor Qiming Wang och Ph.D. student Kun-Hao Yu, tillsammans med MIT professor Nicholas Fang och University of Missouri professor Guoliang Huang, har utvecklat 3D-tryckta metamaterial som kan blockera ljudvågor och mekaniska vibrationer. Till skillnad från nuvarande metamaterial, dessa kan slås på eller av på distans med hjälp av ett magnetfält. Deras material kan användas för brusreducering, vibrationskontroll och sonisk cloaking, som kan användas för att dölja föremål från akustiska vågor.

"När du tillverkar en struktur, geometrin kan inte ändras, vilket innebär att fastigheten är fixerad. Tanken här är, vi kan designa något mycket flexibelt så att du kan ändra det med hjälp av externa kontroller, sa Wang, en biträdande professor i byggnads- och miljöteknik.

Metamaterial kan användas för att manipulera vågfenomen som radar, ljud och ljus och har använts för att utveckla teknik som cloaking-enheter och förbättrade kommunikationssystem. Teamets metamaterial kan kontrollera miljöljud och strukturella vibrationer, som har liknande vågformer. Genom 3D-utskrift av ett deformerbart material som innehåller järnpartiklar i en gitterstruktur, deras metamaterial kan komprimeras med hjälp av ett magnetfält.

"Du kan använda en extern magnetisk kraft för att deformera strukturen och ändra arkitekturen och geometrin inuti den. När du ändrar arkitekturen, du byter fastighet, " Wang sa. "Vi ville uppnå denna typ av frihet att byta mellan stater. Med hjälp av magnetfält, omkopplaren är reversibel och mycket snabb."

Magnetfältet komprimerar materialet, men till skillnad från en fysisk kontaktkraft som en metallplatta, materialet är inte begränsat. Därför, när en akustisk eller mekanisk våg kommer i kontakt med materialet, det stör det, genererar de unika egenskaperna som blockerar ljudvågor och mekaniska vibrationer av vissa frekvenser från att passera igenom.

Mekanismen bygger på de onormala egenskaperna hos deras metamaterial - negativ modul och negativ densitet. I vardagliga material, båda är positiva.

"Material med en negativ modul eller negativ densitet kan fånga ljud eller vibrationer i strukturen genom lokala resonanser så att de inte kan överföra genom den, " sa Yu.

Vanligtvis, när du trycker på ett föremål, det trycker tillbaka mot dig. I kontrast, objekt med negativ modul attraherar dig, drar dig mot dem när du trycker. Objekt som uppvisar en negativ densitet fungerar på ett liknande motsägelsefullt sätt. När du skjuter bort dessa föremål från dig, de rör sig istället mot dig.

En negativ egenskap, antingen negativ modul eller negativ densitet, kan arbeta självständigt för att blockera brus och stoppa vibrationer inom vissa frekvensregimer. Dock, när man arbetar tillsammans, buller eller vibrationer kan passera igen. Teamet kan behålla mångsidig kontroll över metamaterialet, växla mellan dubbelpositiv (ljud passerar), singelnegativ (ljudblockerande), och dubbelnegativ (ljud passerar) bara genom att byta magnetfält.

"Detta är första gången forskare har visat reversibel växling mellan dessa tre faser med hjälp av fjärrstimuli, " sa Wang.

Framtida inriktningar

Wang tror att de kanske kan visa en annan unik egenskap som kallas negativ brytning, där en våg går genom materialet och kommer tillbaka in i en onaturlig vinkel, vilket enligt Wang är, "antifysik." De planerar att studera detta fenomen ytterligare när de har möjlighet att tillverka större strukturer.

"Vi vill skala ner eller skala upp vårt tillverkningssystem, "Sade Wang." Detta skulle ge oss fler möjligheter att arbeta med ett större våglängdsintervall. "

Med deras nuvarande system, de kan bara 3-D-skriva ut material med en stråldiameter mellan en mikron och en millimeter. Men storleken spelar roll. Mindre strålar skulle styra högfrekventa vågor, och större strålar skulle påverka lägre frekvensvågor.

"Det finns verkligen ett antal möjliga tillämpningar för att smart styra akustik och vibrationer, "Sa Yu." Traditionella konstruktionsmaterial får endast skydda mot akustik och vibrationer, men få av dem kan växla mellan på och av."