Fononinen metamateriaali ohjaa mekaanisia aaltoja

ETH Zürichin tutkijat ovat rakentaneet ohuen piikalvon siten, että se voi ohjata mekaanisia aaltoja tiettyjä reittejä pitkin.

Dennis Kochmann, ETH Zürichin mekaniikan ja materiaalitutkimuksen professori ja hänen yhteistyökumppaninsa esittelivät hiljattain kahdessa tieteellisessä julkaisussa uudenlaisen fononisen metamateriaalin, joka kykenee tarkasti hallitsemaan mekaanisia aaltoja, kuten värähtelyjä tai akustisia signaaleja.

Tällaista metamateriaalia voitaisiin esimerkiksi käyttää energian keräämiseen värähtelyistä tai signaalien käsittelyyn puhtaasti mekaanisesti, mikä on kiinnostavaa sähköä käyttäville antureille ja mekaanisille tietokoneille.

Jos metallilevyä lyödään värähtelemään sen värähtelyt leviävät yleensä ympyränmuotoisesti, samalla tavalla kuin veden pinta-aallot. Jos levyllä on kuitenkin huolellisesti suunniteltu rakenne, se voi ohjata aaltoja tiettyjä reittejä pitkin – ja juuri tätä ilmiötä ETH:n tutkijat ovat hyödyntäneet.

Metallilevyn sijaan he käyttivät erittäin ohutta piikalvoa, johon tutkijat syövyttivät erilaisia kuvioita fotolitografian ja syövytystekniikoiden avulla. Näin tuotettu kuvionti koostuu miljoonista toistuvista neliöelementeistä. Toisin kuin monissa muissa metamateriaaleissa, nämä yksikkörakenteet eivät ole identtisiä koko kuvion alueella, vaan ne muuttuvat vähitellen tähden haarojen pituuksien vaihdellessa.

”Metamateriaalimme suunnittelu on modulaarinen, aivan kuten palapeli”, Kochmann selittää. Palapelin palaset suorittavat tiettyjä toimintoja, kuten säteiden ohjaamista suorassa kulmassa tai aaltojen jakamista eri suuntiin niiden taajuuden perusteella. Kun tutkijat kokoavat taitavasti sopivat palapelin palat, he voivat luoda monimutkaisia aaltoreittejä, kuten kahdeksikkoa muistuttavan radan.

Testeissä ilmeni, että rakenteet eivät toimi vain yhdellä värähtelytaajuudella: vaikka tutkijat suunnittelivat järjestelmän 750 kilohertsin taajuudelle, se toimii tehokkaasti noin 250–800 kilohertsin taajuuksilla. ”Emme olleet suunnitelleet näin laajaa taajuusaluetta, joten se tuli yllätyksenä”, kommentoi Vignesh Kannan.

Koska pii, perusmateriaali, vaimennusominaisuudet ovat luonnostaan alhaiset, aallot voivat edetä pitkään. Tämä on merkittävä etu polymeeripohjaisiin 3D-tulostettuihin rakenteisiin verrattuna, joiden vaimennus vaimentaa nopeasti kaikki värähtelyt, selittää Kannan.

Seuraavissa vaiheissa hän ja hänen yhteistyökumppaninsa toivovat voivansa viedä miniatyrisointia entisestään – aivan toteutettavissa olevien rajojen yli, jossa mikro- tai jopa nanorakenteen valmistusvirheillä alkaa olla merkittävä vaikutus.

”Haluamme myös ymmärtää paremmin näiden ilmiöiden taustalla olevaa fysiikkaa. Ei ole vielä täysin selvää, miksi tämä rakenne toimii niin luotettavasti niin laajalla taajuusalueella”, Kochmann toteaa.

Aiheesta aiemmin:

Pieniä ja tehokkaita metalinssejä puhelimiin ja droneihin

Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja

Metamateriaali yhdistää katkenneet hermot