Föreställ dig framstegen till prediktiv modellering om du kan utläsa något om hur ljus förstärker färger i en fågels fjäderdräkt från hur seismiska vågor sprider sig genom bergssystem.

Det är lite av hyperbole som ändå föreslår den "vackra" användningen av nya matematiska formler som utarbetats av Princeton professor i kemi Salvatore Torquato och sjätteårs doktorand Jaeuk Kim vid fysiska institutionen när de främjar vår förståelse för hur olika typer av vågor beter sig insida material.

Torquato, Lewis Bernard -professor i naturvetenskap och chef för Complex Materials Theory Group, publicerade forskning denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) länka vågfenomen som aldrig tidigare har länkats. För första gången, forskningen använder ett enhetligt tillvägagångssätt som förenar beteendet hos elastodynamiska (ljud) vågor med elektromagnetiska (ljus) vågor när de sprids genom heterogena, eller sammansatt, material.

Torquato och Kim visar också att hur dessa vågor rör sig genom ett heterogent material i sin tur belyser egenskaper hos själva materialmikrostrukturen. Mikrostrukturen - det rumsliga arrangemanget av de olika materialen som utgör det heterogena materialet - påverkar hur vågor sprids.

Detta är grundtanken bakom ultraljudsskanningar, eller sonografi, som skapar bilder av strukturer i din kropp.

Ett homogent system består av ett enda material. En heterogen, eller sammansatt, systemet är en blandning. Men blandningen av dessa enskilda material - kallade faser - kombineras inte jämnt; de lever på olika områden inom det systemet. Ljus- och ljudvågor rör sig genom en given komposit och, när de möter olika faser med olika fysiska egenskaper, de beter sig annorlunda, sprida ut, och störa. På grund av den resulterande störningen, våghastigheterna ändras och vågorna kan dämpas, eller tappar energi.

Formlerna som utvecklats under denna forskning gör det möjligt för forskare att förutsäga hur vågor fungerar i dessa komplexa system utan att behöva lösa två uppsättningar differentialekvationer som styr ljus- och ljudvågor, respektive. De kan uppskatta effektiva våghastigheter och dämpningsgrad, eller den hastighet med vilken vågor bryts ned i ett material, för ett bredare våglängdsintervall än det som tidigare teorier fungerar på.

"Det vi förutspår är det effektiva beteendet för denna våg genom ett komplicerat system, "sa Torquato, en teoretisk kemist. "Och det visar sig att de effektiva egenskaperna hos både elektromagnetiska och elastodynamiska vågor kommer att bero på våglängderna som är associerade med de specifika vågorna.

"Ljusvågor, till exempel, styrs av Maxwells differentialekvationer för elektromagnetiska vågor. Ljudvågor styrs av en annan uppsättning differentialekvationer. Så normalt, när du arbetar med vågfenomen, du har dessa två samhällen som vanligtvis inte pratar med varandra, "lade till Torquato." Vad vi har gjort, som är långt ur lådan, är att skapa en formulering som gör att vi kan angripa varje problem på ett enhetligt sätt.

"Sedan, vi blandade formlerna för att visa att om du kan berätta för mig ett materials reaktion på en elektromagnetisk våg, Jag kan berätta något om samma materials reaktion på ljudvågor. Så nu, du har dessa prediktiva formler som kan tillämpas så att du inte behöver ständigt validera teorin via fullblåsta datasimuleringar varje gång du ändrar parametrarna. Du kan komma åt och förutsäga fenomen som människor inte ens kunde tänka sig tidigare. "

Forskningen fokuserar på heterogena system eftersom dessa system är idealiska för att uppnå flera typer av önskade egenskaper, kallas multifunktionalitet, vilket innebär att de bästa egenskaperna hos kompositer kan kombineras för att uppvisa specifika svar på de olika typerna av vågor. Material kan sedan utformas, till exempel, att absorbera vågor eller låta dem överföras utan dämpning.

"Tidigare multifunktionella konstruktioner har främst fokuserat på statisk transport och elastiska egenskaper eftersom konventionella teorier inte var korrekta vid förutsägelse av vågfenomen, "sa Kim." Således vår teori kommer att underlätta den rationella utformningen av multifunktionella kompositer med önskade vågegenskaper. "

Kör mot en framtida ansökan, dessa formler kan möjliggöra design av nya, multifunktionella material som uppvisar specifika svar på vågor, banar väg för konstruerade hyperuniforma material med exotiska effektiva egenskaper. De kan en dag möjliggöra design av multifunktionella kompositer som kan innehålla strukturella komponenter för rymdfarkoster, som kräver hög styvhet och elektromagnetisk absorption, eller kylflänsar för centrala processorenheter (CPU) och andra elektriska enheter som samtidigt kan undertrycka mekaniska vibrationer.

"Detta arbete var framgångsrikt tack vare professor Torquatos insikter i att arbeta över olika discipliner. Det var spännande att överbrygga kunskapen från två olika samhällen - optik och akustik - för att uppnå denna forskning, sa Kim.