Les chercheurs ont poussé les capacités des matériaux en concevant avec soin des structures précises qui présentent des propriétés anormales capables de contrôler les ondes acoustiques ou optiques. Cependant, ces métamatériaux sont construits dans des géométries fixes, ce qui signifie que leurs capacités uniques sont toujours fixes. Maintenant, Le nouveau métamatériau imprimé en 3D développé par une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Californie du Sud peut être commuté à distance entre le contrôle actif et les états passifs.

USC Viterbi School of Engineering Professeur adjoint Qiming Wang et Ph.D. étudiant Kun-Hao Yu, avec le professeur du MIT Nicholas Fang et le professeur Guoliang Huang de l'Université du Missouri, ont développé des métamatériaux imprimés en 3D capables de bloquer les ondes sonores et les vibrations mécaniques. Contrairement aux métamatériaux actuels, ceux-ci peuvent être activés ou désactivés à distance à l'aide d'un champ magnétique. Leurs matériaux peuvent être utilisés pour la suppression du bruit, contrôle des vibrations et occultation sonique, qui peut être utilisé pour cacher des objets aux ondes acoustiques.

"Quand vous fabriquez une structure, la géométrie ne peut pas être modifiée, ce qui signifie que la propriété est fixe. L'idée ici est, nous pouvons concevoir quelque chose de très flexible pour que vous puissiez le modifier à l'aide de commandes externes, " dit Wang, professeur assistant en génie civil et environnemental.

Les métamatériaux peuvent être utilisés pour manipuler des phénomènes ondulatoires tels que le radar, le son et la lumière et ont été utilisés pour développer des technologies telles que des dispositifs de dissimulation et des systèmes de communication améliorés. Les métamatériaux de l'équipe sont capables de contrôler les sons environnementaux et les vibrations structurelles, qui ont des formes d'onde similaires. En imprimant en 3D un matériau déformable contenant des particules de fer dans une structure en treillis, leurs métamatériaux peuvent être compressés à l'aide d'un champ magnétique.

« Vous pouvez appliquer une force magnétique externe pour déformer la structure et modifier l'architecture et la géométrie à l'intérieur. Une fois que vous avez modifié l'architecture, vous changez de propriété, " a déclaré Wang. "Nous voulions obtenir ce genre de liberté pour basculer entre les États. En utilisant des champs magnétiques, l'interrupteur est réversible et très rapide."

Le champ magnétique comprime le matériau, mais contrairement à une force de contact physique comme une plaque de métal, le matériau n'est pas contraint. Par conséquent, lorsqu'une onde acoustique ou mécanique entre en contact avec le matériau, ça le perturbe, générer les propriétés uniques qui bloquent le passage des ondes sonores et des vibrations mécaniques de certaines fréquences.

Le mécanisme repose sur les propriétés anormales de leurs métamatériaux - module négatif et densité négative. Dans les matériaux de tous les jours, ce sont tous les deux positifs.

"Un matériau avec un module ou une densité négative peut piéger des sons ou des vibrations au sein de la structure par des résonances locales afin qu'ils ne puissent pas être transférés à travers elle, " dit Yu.

Typiquement, lorsque vous appuyez sur un objet, il vous repousse. En revanche, les objets de module négatif vous attirent, vous tirant vers eux pendant que vous poussez. Les objets présentant une densité négative fonctionnent de manière tout aussi contradictoire. Lorsque vous repoussez ces objets loin de vous, ils se déplacent plutôt vers vous.

Une propriété négative, module négatif ou densité négative, peut fonctionner indépendamment pour bloquer le bruit et arrêter les vibrations dans certains régimes de fréquence. Cependant, lorsque vous travaillez ensemble, le bruit ou les vibrations peuvent passer à nouveau. L'équipe est capable de maintenir un contrôle polyvalent sur le métamatériau, commutation entre double positif (passage du son), simple négatif (blocage du son), et double-négatif (passage du son) juste en commutant le champ magnétique.

"C'est la première fois que des chercheurs démontrent une commutation réversible entre ces trois phases en utilisant des stimuli à distance, " a dit Wang.

Directions futures

Wang pense qu'ils pourraient être en mesure de démontrer une autre propriété unique appelée réfraction négative, dans laquelle une onde traverse le matériau et revient sous un angle non naturel, qui selon Wang est, "anti-physique". Ils prévoient d'étudier plus avant ce phénomène une fois qu'ils seront capables de fabriquer des structures plus grandes.

"Nous voulons réduire ou augmenter notre système de fabrication, " a déclaré Wang. " Cela nous donnerait plus d'opportunités de travailler sur une plus large gamme de longueurs d'onde. "

Avec leur système actuel, ils ne peuvent imprimer en 3D que des matériaux avec un diamètre de faisceau compris entre un micron et un millimètre. Mais la taille compte. Des faisceaux plus petits contrôleraient les ondes de fréquence plus élevée, et des faisceaux plus gros affecteraient les ondes de fréquence inférieure.

« Il existe en effet de nombreuses applications possibles pour contrôler intelligemment l'acoustique et les vibrations, " Yu a dit. " Les matériaux d'ingénierie traditionnels ne peuvent protéger de l'acoustique et des vibrations, mais peu d'entre eux peuvent basculer entre marche et arrêt."