Stealth-teknik, idén om att minska fiendens förmåga att upptäcka ett föremål, har drivit framsteg inom militär forskning i decennier. I dag, flygplan, örlogsfartyg och ubåtar, missiler och satelliter är ofta täckta med radarabsorberande material, som färg, att dölja eller dölja dem från radar, ekolod, infraröd och andra detektionsmetoder. En kappa är ett beläggningsmaterial som gör att ett föremål inte kan skiljas från sin omgivning eller inte kan upptäckas genom externa fältmätningar.

Guoliang Huang, James C. Dowell professor vid institutionen för maskin- och rymdteknik, sa att dessa typer av mantelmaterial är mogna, i teknisk mening, eftersom egenskaperna hos akustisk (radar, ekolod) och optiska vågor (infraröd) är väl förstådda. Dock, Huang sa att lite eller inget arbete har lyckats lösa problemet med cloaking för elastiska vågor i fasta medier, såsom en seismisk våg som fortplantar sig genom marken. Nyligen, Huang, tillsammans med sin tidigare postdoc och studenter biträdande professor Hussein Nassar och forskningsassistent Yangyang Chen, har designat och skapat ett nytt metamaterial, ett artificiellt strukturerat material, som uppnår "perfekt" elastiskt materialkappa.

"Det här materialet är både teoretiskt och experimentellt - vi skapade det i vårt labb, ", sa Huang. "Vi kallar det 'polärt material' eftersom vi insåg att det har inre vridmoment. Vi är de första som föreslår principerna för detta material och också de första att designa och tillverka detta material. Konceptet är, om du har ett föremål du vill göra osynligt, du designar något slags beläggningsmaterial runt föremålet så att när en våg träffar föremålet, om passerar runt materialet utan brytning."

Till exempel, en radar genererar en radarvåg, en akustisk våg, som bryts när den träffar en ubåt, gör det synligt. Men om den suben beläggs i ett täckmaterial, radarvågen kommer inte att bryta och suben kan inte detekteras.

"Om du vill dölja något i solid media, det är skillnad, ", sa Huang. "I solid media, vågen är mer komplicerad än radarvågen eftersom vi i fasta medier inte bara har en kompressionsvåg utan vi har också en skjuvvåg. Inom byggnadsteknik, vi hanterar jordbävningar – seismiska vågor, som har longitudinella vågor och skjuvvågor, och det mesta av skadan orsakas av skjuvvågen."

Grundläggande genombrott

Huang sa att det inte finns något naturligt material som tillfredsställer det långvariga problemet med transformation-invarians, varvid icke-standardegenskaper behövs efter vissa transformationer. Han sa att det yttersta syftet med hans forskning är att modellera, designa och tillverka material som kommer att fylla denna "beteendeklyfta". Den nya klassen av cloaking eller polära material som hans team skapade består av ett funktionellt graderat gitter inbäddat i en isotropisk kontinuumbakgrund. Skikten 3D-printades och monterades manuellt.

"Vi undersökte experimentellt och numeriskt egenskaperna hos den föreslagna manteln och fann mycket god mantelprestanda under både drag- och skjuvbelastningar, "Huang skrev i sin tidning, en av två forskningsartiklar som Huang och hans team hade publicerat av Physical Review of Letters om ämnet polära material.

Förutom att skydda strukturer mot seismiska vågor, Huang sa att en annan potentiell tillämpning av det nya metamaterialet skulle vara att dämpa vibrationer på motorer för att minska buller.

"Ingen har kunnat designa ett perfekt mantelmaterial i elastiska medier på 20 år, tills vi producerade detta nya material, " sa Huang. "För oss, det är ett grundläggande genombrott. Vi använde 3D-utskrift för att göra detta material för enkla laboratoriedemonstrationer, men denna princip kan användas med vilket material som helst. Metamaterial är ett strukturerat material - egenskaperna realiseras genom strukturen."

"Resultaten som University of Missouri-teamet nyligen har publicerat är uppmuntrande, " sa Dr Dan Cole, programansvarig, Arméns forskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory. "Denna forskning kan leda till nya strategier för att styra bort mekaniska vågor från kritiska områden i fasta föremål, som skulle kunna möjliggöra nya förmågor inom soldatskydd och manövrar."

Studierna, "Polar Metamaterials:A New Outlook on Resonance for Cloaking Applications" och "Physical Realization of Elastic Cloaking with a Polar Material, " publicerades i Fysiska granskningsbrev , en tidskrift från American Physical Society.