Στρεβλός ήχος: Επιστήμονες ανακάλυψαν νέο τρόπο ελέγχου μηχανικών δονήσεων σε μεταϋλικό

Επιστήμονες στο Κέντρο Προηγμένης Επιστημονικής Έρευνας (ASRC) του Μεταπτυχιακού Κέντρου του Πανεπιστημίου της Πόλης της Νέας Υόρκης (CUNY) ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο ελέγχου του ήχου και των δονήσεων χρησιμοποιώντας μια έννοια εμπνευσμένη από τα «twistronics», ένα φαινόμενο που αρχικά αναπτύχθηκε για τα ηλεκτρονικά.

Η έρευνά τους, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PNAS, παρουσιάζει τα «twistelastics» – μια τεχνική που χρησιμοποιεί μικροσκοπικές περιστροφές ανάμεσα σε στρώσεις σχεδιασμένων επιφανειών για να ελέγξει τον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύουν τα μηχανικά κύματα.

Περιστρεφόμενες επιφάνειες για προσαρμοστικό έλεγχο δονήσεων

Ο έλεγχος ήχου και δονήσεων είναι ουσιώδης για τεχνολογίες όπως η υπερηχογραφική απεικόνιση, τα μικροηλεκτρονικά και οι προηγμένοι αισθητήρες. Παραδοσιακά, αυτά τα συστήματα βασίζονται σε σταθερά σχέδια, περιορίζοντας την ευελιξία. Η νέα προσέγγιση επιτρέπει στους μηχανικούς να επαναπροσδιορίσουν τη συμπεριφορά των κυμάτων, απλώς στρέφοντας δύο στρώσεις σχεδιασμένων επιφανειών, προσφέροντας πρωτοφανή προσαρμοστικότητα.

«Η εργασία μας δείχνει ότι με μια απλή περιστροφή αυτών των δύο στρώσεων, μπορούμε να πετύχουμε ακραίο έλεγχο στα μηχανικά κύματα», δήλωσε ο Αντρέα Αλού, καθηγητής Φυσικής και διευθυντής της Πρωτοβουλίας Φωτονικής στο CUNY ASRC. «Αυτό ανοίγει τον δρόμο για νέες τεχνολογίες στους τομείς της ανίχνευσης, της επικοινωνίας και της επεξεργασίας σημάτων».

Πειράματα με 3D εκτυπωμένες μετα-επιφάνειες

Για να επιτύχει την ανακάλυψη, η ομάδα συνδύασε θεωρία, υπολογιστικές προσομοιώσεις και πειράματα με πρωτότυπα που εκτυπώθηκαν σε 3D, σχεδιάζοντας ειδικές επιφάνειες που ονομάζονται μετα-επιφάνειες, διαμορφωμένες με μικροσκοπικούς πυλώνες.

Όταν δύο ίδιες μετα-επιφάνειες στοιβάζονται και περιστρέφονται η μία σε σχέση με την άλλη σε διαφορετικές γωνίες, η συνδυασμένη τους δομή αλλάζει τον τρόπο διάδοσης των δονήσεων – εναλλασσόμενη ανάμεσα σε διαφορετικές τοπολογίες που καθορίζουν την κατεύθυνση των κυμάτων.

Σε μια κρίσιμη γωνία περιστροφής, γνωστή ως «μαγική γωνία», τα κύματα γίνονται ιδιαίτερα εστιασμένα και καθοδηγούμενα, ανοίγοντας δυνατότητες για ταχύτερη και πιο αποδοτική επεξεργασία σημάτων.

Εφαρμογές σε ιατρική, ηλεκτρονικά και μικρορροές

Η εισαγωγή των twistelastics θα επιτρέψει μεγαλύτερο έλεγχο σημάτων ευρείας ζώνης σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων και θα καταστήσει δυνατή τη γρήγορη ρύθμιση της συμπεριφοράς των κυμάτων, βελτιώνοντας τη μετάδοση πληροφοριών.

Η νέα τεχνική θα διευκολύνει επίσης τον σχεδιασμό συστημάτων με αυξημένη ανθεκτικότητα σε σφάλματα λόγω ατελειών στην κατασκευή.

Οι ερευνητές αναμένουν η ανακάλυψη να έχει εφαρμογές στην ιατρική απεικόνιση, στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά και στη μικρορρευστομηχανική. Τα twistelastics θα μπορούσαν τελικά να μικρυνθούν για χρήση σε συσκευές επιπέδου chip, φέρνοντας επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο χειριζόμαστε τον ήχο και τις δονήσεις στην καθημερινή τεχνολογία.