Los ingenieros de Caltech y ETH Zürich en Suiza han creado un método para diseñar metamateriales sistemáticamente utilizando los principios de la mecánica cuántica.
Su trabajo podría allanar el camino para un uso más amplio de metamateriales en aplicaciones más convencionales al crear un marco impulsado por un propósito para su diseño.
Los metamateriales son materiales diseñados que explotan la geometría de su estructura interna para manipular las ondas entrantes. Por ejemplo, un metamaterial que manipula las ondas electromagnéticas puede doblar la luz de una manera inusual para crear un dispositivo de encubrimiento. Mientras tanto, un metamaterial acústico delgado como una oblea podríareflejan las ondas sonoras entrantes para insonorizar una habitación.
Esta capacidad para controlar las ondas se deriva de cómo está estructurado el material, a menudo a escala microscópica. En 2010, los investigadores de Caltech desarrollaron un metamaterial óptico que utiliza una superficie recubierta con estructuras tridimensionales para redirigir la luz como se desea. Más recientemente, ingenierosen Caltech mostró que las superficies planas recubiertas con pequeños pilares de silicio podían enfocar la luz como una lente.
Imagine un cristal: un sólido cuyas propiedades físicas están determinadas por la forma en que se construye a partir de una serie repetida de estructuras atómicas. Los átomos de carbono estructurados en placas planas crean un grafito que se desmorona, mientras que los átomos de carbono estructurados en tetraedros crean diamantes ultraduros.De manera similar, los metamateriales se construyen a partir de una serie repetida de estructuras nano y microescala que les dan sus propiedades únicas.
A pesar de su promesa y la amplia gama de posibles aplicaciones, los metamateriales no se utilizarán ampliamente a menos que los ingenieros puedan diseñarlos para que tengan propiedades particulares deseadas. Si bien se ha avanzado mucho en el diseño de metamateriales que interactúan con ondas electromagnéticas, en general, el diseñode metamateriales mecánicos, aquellos que influyen en las ondas mecánicas, como las ondas sonoras o las ondas sísmicas, sigue siendo un asunto disperso, dice Chiara Daraio, profesora de ingeniería mecánica y física aplicada en Caltech.
"Antes de nuestro trabajo, no existía una forma única y sistemática de diseñar metamateriales que controlen las ondas mecánicas para diferentes aplicaciones", dice. "En cambio, las personas a menudo optimizaban un diseño para cumplir un propósito específico o probaban nuevos diseños basados enalgo que vieron en la naturaleza, y luego estudiaron qué propiedades surgirían de patrones repetidos ".
Para abordar esto, un equipo dirigido por Daraio y compuesto por estudiantes graduados Marc Serra García y Antonio Palermo, la becaria postdoctoral Katie Matlack y el profesor Sebastian Huber en ETH Zürich, se dirigieron al campo de la mecánica cuántica. En la superficie, la elecciónera poco probable. La mecánica cuántica gobierna el comportamiento a menudo contradictorio de las partículas subatómicas, y parece no tener nada que ver con los diseños a micro y macroescala de los metamateriales estudiados por el equipo de Daraio.
La mecánica cuántica predice la existencia de ciertos tipos exóticos de materia: entre ellos, un "aislante topológico" que conduce electricidad a través de su superficie mientras actúa como aislante en su interior. El equipo de Daraio se dio cuenta de que podían construir versiones a macroescala de estossistemas exóticos que podrían conducir y aislar contra las vibraciones en lugar de la electricidad mediante el uso de principios de la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica, los materiales a veces se pueden describir como un conjunto de partículas que interactúan. "Imagine que cada partícula es una masa diminuta, conectada a sus vecinas porprimaveras ", explica." Cada partícula reacciona a las ondas entrantes de una manera única que está determinada, en parte, por la reacción de sus vecinas. En nuestro enfoque, aplicamos este modelo de masa y resorte a materiales macroscópicos, elásticos,manteniendo sus propiedades características. "
Debido a que los metamateriales se construyen a partir de matrices de estructuras geométricas que pueden tener bloques de construcción en la escala nano, micro o macro que están conectados en patrones repetidos, Daraio y sus colegas se dieron cuenta de que, al representar cada estructura repetida comoun conjunto de partículas, sería posible diseñar muchos tipos diferentes de metamateriales, como guías de ondas, lentes acústicos o aislantes de vibraciones.
Cuando es golpeada por una ola entrante, cada estructura repetida en un metamaterial tiene el potencial de deformarse de varias maneras diferentes. Esa deformación está gobernada no solo por la geometría de esa estructura, sino también por cómo las estructuras están conectadas y cómolas otras estructuras a su alrededor están reaccionando. Al tratar esto como un sistema de masas y resortes, el equipo de Daraio pudo predecir cómo reaccionarían estos sistemas y luego diseñarlos para que reaccionen de la manera deseada.
Es complicado, pero también predecible, que es la parte importante.
Como prueba teórica del concepto, el equipo de Daraio diseñó metamateriales hechos a partir de una serie de placas rectangulares de escala milimétrica, cada una conectada entre sí como una pieza de un rompecabezas. Ajustando el diseño de las placas y qué tan bien conectadasplacas, el equipo creó una lente acústica perfecta que enfoca el sonido sin pérdida de señal. Las placas también actúan como una guía de ondas que dirige y ralentiza la propagación del sonido. El método podría usarse para diseñar muchos otros dispositivos o sensores donde la alta sensibilidad,la precisión o el control son necesarios, dice Daraio. El trabajo fue publicado en Materiales naturales el 15 de enero
Aunque el trabajo de Daraio es teórico, validado mediante simulaciones por computadora, sus coautores en ETH usaron el método para diseñar y construir una oblea de silicio de 10 por 10 centímetros que consta de 100 placas pequeñas conectadas entre sí a través de haces delgados. Cuando la oblea esEstimulado por ultrasonido, solo vibran las placas de las esquinas; las otras placas permanecen inmóviles, a pesar de sus conexiones. El dispositivo podría usarse como una guía de ondas precisa en una red de comunicaciones. Naturaleza el 15 de enero
El proceso de diseño descrito también se puede utilizar para diseñar metamateriales ópticos, antenas y dispositivos de procesamiento de señales ópticas, dice Daraio. Su artículo se titula "Diseño de metamateriales perturbativos a partir de modelos discretos". Este trabajo fue financiado por ETH Zürich y Swiss NationalFundación de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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