211service.com
Fleksible materialer kunne give måder at manipulere lyd og lys på
Fleksible, lagdelte materialer tekstureret med rynker i nanoskala kunne give en ny måde at kontrollere bølgelængder og fordeling af bølger, uanset om det er lyd eller lys. Den nye metode, udviklet af forskere ved MIT, kan med tiden finde anvendelser fra ikke-destruktiv test af materialer til lydundertrykkelse og kan også give ny indsigt i bløde biologiske systemer og muligvis føre til nye diagnostiske værktøjer.
Resultaterne er beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet P hysiske Revisionsbreve , skrevet af MIT postdoc Stephan Rudykh og Mary Boyce, en tidligere professor i maskinteknik ved MIT, som nu er dekan for Fu Foundation School of Engineering and Applied Science ved Columbia University.
I det øverste billedpar påvirkes lydbølger (blå og gule bånd), der passerer gennem et fladt lagdelt materiale, kun minimalt. På de nederste billeder, når lyd går gennem et rynket lagdelt materiale, blokeres visse lydfrekvenser og filtreres ud af materialet. Foto udlånt af Felice Frankel
Mens materialers egenskaber vides at påvirke udbredelsen af lys og lyd, er disse egenskaber i de fleste tilfælde faste, når materialet fremstilles eller dyrkes, og er vanskelige at ændre senere. Men i disse lagdelte materialer kan ændring af egenskaberne - for eksempel at tune et materiale for at filtrere bestemte lysfarver fra - være så simpelt som at strække det fleksible materiale.
Disse effekter er meget justerbare, reversible og kontrollerbare, siger Rudykh. For eksempel kunne vi ændre farven på materialet eller potentielt gøre det optisk eller akustisk usynligt.
Materialerne kan fremstilles gennem en lag-for-lag aflejringsproces, raffineret af forskere ved MIT og andre steder, som kan styres med høj præcision. Processen gør det muligt at bestemme tykkelsen af hvert lag inden for en brøkdel af en bølgelængde af lys. Materialet komprimeres derefter, hvilket skaber en række præcise rynker i det, hvis mellemrum kan forårsage spredning af udvalgte frekvenser af bølger (af enten lyd eller lys).
Overraskende, siger Rudykh, virker disse effekter selv i materialer, hvor de vekslende lag har næsten identiske tætheder. Vi kan bruge polymerer med meget ens tætheder og stadig få effekten, siger han. Hvordan bølger forplanter sig gennem et materiale, eller ej, afhænger af mikrostrukturen, og vi kan kontrollere den, siger han.
Ved at designe den mikrostruktur til at producere et ønsket sæt af effekter og derefter ændre disse egenskaber ved at deformere materialet, kan vi faktisk kontrollere disse effekter gennem eksterne stimuli, siger Rudykh. Du kan designe et materiale, der vil rynke til en anden bølgelængde og amplitude. Hvis du ved, at du vil styre et bestemt frekvensområde, kan du designe det på den måde.
Forskningen, som er baseret på computermodellering, kunne også give indsigt i egenskaberne af naturlige biologiske materialer, siger Rudykh. At forstå, hvordan bølgerne forplanter sig gennem biologiske væv, kan være nyttigt til diagnostiske teknikker, siger han.
For eksempel involverer nuværende diagnostiske teknikker for visse kræftformer smertefulde og invasive procedurer. I princippet kunne ultralyd give den samme information non-invasivt, men nutidens ultralydssystemer mangler tilstrækkelig opløsning. Det nye arbejde med rynkede materialer kan føre til mere præcis kontrol af disse ultralydsbølger og dermed til systemer med bedre opløsning, siger Rudykh.
Systemet kunne også bruges til lydtilsløring - en avanceret form for støjreduktion, hvor lyde udefra kan blokeres fuldstændigt fra en vis mængde plads i stedet for blot et enkelt sted, som i nuværende støjreducerende hovedtelefoner.
Den mikrostruktur, vi starter med, er meget enkel, siger Rudykh, og er baseret på veletableret, lag-for-lag-fremstilling. Fra dette lagdelte materiale kan vi udvide til mere komplicerede mikrostrukturer og få effekter, du aldrig kunne få fra konventionelle materialer. I sidste ende kunne sådanne systemer bruges til at kontrollere en række forskellige effekter i udbredelsen af lys, lyd og endda varme.
George Fytas, professor i materialevidenskab og leder af polymergruppen ved universitetet på Kreta, Grækenland, siger, at dette er en meget ny idé, fordi den inducerer et retningsbestemt lydgab, der ikke eksisterer i den lagdelte struktur. Han tilføjer, at dette fund viser, hvordan veletablerede teoretiske værktøjer kan forudsige nye materialers adfærd, hvilket er udfordrende for eksperimentelister.
Teknologien er ved at blive patenteret, og forskerne er allerede i dialog med virksomheder om mulig kommercialisering, siger Rudykh.
Forskningen blev støttet af U.S. Army Research Office gennem MIT Institute for Soldier Nanotechnologies.