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Flexible Materialien könnten Möglichkeiten bieten, Ton und Licht zu manipulieren
Flexible, geschichtete Materialien, die mit nanoskaligen Falten strukturiert sind, könnten eine neue Möglichkeit bieten, die Wellenlänge und die Verteilung von Wellen, sei es von Schall oder Licht, zu steuern. Die neue Methode, die von Forschern am MIT entwickelt wurde, könnte schließlich Anwendungen finden, von der zerstörungsfreien Materialprüfung bis zur Geräuschunterdrückung, und könnte auch neue Einblicke in weiche biologische Systeme liefern und möglicherweise zu neuen Diagnosewerkzeugen führen.
Die Ergebnisse werden in einem diese Woche in der Zeitschrift P . veröffentlichten Artikel beschrieben hysical Review Letters , geschrieben von MIT-Postdoc Stephan Rudykh und Mary Boyce, einer ehemaligen Professorin für Maschinenbau am MIT, die jetzt Dekanin der Fu Foundation School of Engineering and Applied Science an der Columbia University ist.
Im oberen Bildpaar werden Schallwellen (blaue und gelbe Streifen), die durch ein flaches Schichtmaterial hindurchgehen, nur minimal beeinflusst. In den unteren Bildern, wenn der Ton durch ein zerknittertes, geschichtetes Material geht, werden bestimmte Tonfrequenzen durch das Material blockiert und herausgefiltert. Foto mit freundlicher Genehmigung von Felice Frankel
Obwohl bekannt ist, dass die Eigenschaften von Materialien die Ausbreitung von Licht und Schall beeinflussen, werden diese Eigenschaften in den meisten Fällen bei der Herstellung oder beim Wachsen des Materials festgelegt und sind später schwer zu ändern. Aber bei diesen geschichteten Materialien kann das Ändern der Eigenschaften – beispielsweise um ein Material so abzustimmen, dass bestimmte Lichtfarben herausgefiltert werden – so einfach sein, wie das flexible Material zu dehnen.
Diese Effekte sind in hohem Maße einstellbar, reversibel und kontrollierbar, sagt Rudykh. Wir könnten zum Beispiel die Farbe des Materials ändern oder es möglicherweise optisch oder akustisch unsichtbar machen.
Die Materialien können durch einen Schicht-für-Schicht-Abscheidungsprozess hergestellt werden, der von Forschern am MIT und anderswo verfeinert wurde und mit hoher Präzision kontrolliert werden kann. Das Verfahren ermöglicht es, die Dicke jeder Schicht bis auf einen Bruchteil einer Lichtwellenlänge zu bestimmen. Das Material wird dann komprimiert, wodurch eine Reihe präziser Falten erzeugt wird, deren Abstand zu einer Streuung ausgewählter Wellenfrequenzen (von Schall oder Licht) führen kann.
Überraschenderweise, sagt Rudykh, funktionieren diese Effekte sogar in Materialien, bei denen die abwechselnden Schichten fast identische Dichten haben. Wir können Polymere mit sehr ähnlichen Dichten verwenden und trotzdem den Effekt erzielen, sagt er. Wie sich Wellen durch ein Material ausbreiten oder nicht, hängt von der Mikrostruktur ab, und wir können sie steuern, sagt er.
Indem wir diese Mikrostruktur entwerfen, um eine gewünschte Reihe von Effekten zu erzeugen, und dann diese Eigenschaften durch Verformung des Materials ändern, können wir diese Effekte tatsächlich durch äußere Reize steuern, sagt Rudykh. Sie können ein Material entwerfen, das bei einer anderen Wellenlänge und Amplitude knittert. Wenn Sie wissen, dass Sie einen bestimmten Frequenzbereich steuern möchten, können Sie ihn so gestalten.
Die auf Computermodellen basierende Forschung könnte auch Einblicke in die Eigenschaften natürlicher biologischer Materialien geben, sagt Rudykh. Zu verstehen, wie sich die Wellen durch biologisches Gewebe ausbreiten, könnte für diagnostische Verfahren nützlich sein, sagt er.
Zum Beispiel beinhalten gegenwärtige Diagnosetechniken für bestimmte Krebsarten schmerzhafte und invasive Verfahren. Im Prinzip könnte Ultraschall nichtinvasiv die gleichen Informationen liefern, jedoch fehlt den heutigen Ultraschallsystemen eine ausreichende Auflösung. Die neue Arbeit mit zerknitterten Materialien könnte zu einer genaueren Kontrolle dieser Ultraschallwellen und damit zu Systemen mit besserer Auflösung führen, sagt Rudykh.
Das System könnte auch für Sound-Cloaking verwendet werden – eine fortschrittliche Form der Geräuschunterdrückung, bei der Außengeräusche ab einem bestimmten Raumvolumen vollständig blockiert werden könnten und nicht nur an einer einzigen Stelle, wie bei aktuellen Noise-Cancelling-Kopfhörern.
Die Mikrostruktur, mit der wir beginnen, ist sehr einfach, sagt Rudykh und basiert auf einer bewährten, schichtweisen Fertigung. Von diesem geschichteten Material können wir auf kompliziertere Mikrostrukturen ausdehnen und Effekte erzielen, die Sie mit herkömmlichen Materialien nicht erzielen könnten. Letztendlich könnten solche Systeme verwendet werden, um eine Vielzahl von Effekten bei der Ausbreitung von Licht, Schall und sogar Wärme zu steuern.
George Fytas, Professor für Materialwissenschaften und Leiter der Polymergruppe an der Universität Kreta, Griechenland, sagt, dass dies eine sehr neuartige Idee ist, da sie eine gerichtete phonische Lücke induziert, die in der Schichtstruktur nicht vorhanden ist. Er fügt hinzu, dass dieser Befund zeigt, wie gut etablierte theoretische Werkzeuge das Verhalten neuer Materialien vorhersagen können, was für Experimentatoren eine Herausforderung darstellt.
Die Technologie werde patentiert, die Forscher seien bereits in Gesprächen mit Unternehmen über eine mögliche Kommerzialisierung, sagt Rudykh.
Die Forschung wurde vom US Army Research Office durch das MIT Institute for Soldier Nanotechnologies unterstützt.