Imaginez les progrès de la modélisation prédictive si vous pouviez déduire quelque chose sur la façon dont la lumière amplifie les couleurs dans le plumage d'un oiseau à partir de la façon dont les ondes sismiques se propagent à travers les systèmes montagneux.

C'est un peu une hyperbole qui suggère néanmoins la "belle" utilité des nouvelles formules mathématiques conçues par le professeur de chimie de Princeton Salvatore Torquato et l'étudiant diplômé de sixième année Jaeuk Kim du département de physique alors qu'ils font progresser notre compréhension du comportement des différents types d'ondes. matériaux à l'intérieur.

Torquato, le Lewis Bernard Professor of Natural Sciences et directeur du Complex Materials Theory Group, recherche publiée cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) reliant des phénomènes ondulatoires qui n'avaient jamais été liés auparavant. Pour la première fois, la recherche utilise une approche unifiée qui associe le comportement des ondes élastodynamiques (sonores) à celui des ondes électromagnétiques (lumineuses) lorsqu'elles se propagent à travers des ondes hétérogènes, ou composite, matériaux.

Torquato et Kim démontrent également que la façon dont ces ondes se déplacent à travers un matériau hétérogène élucide à son tour les caractéristiques de la microstructure du matériau lui-même. La microstructure - la disposition spatiale des différents matériaux qui composent le matériau hétérogène - a un impact sur la façon dont les ondes se propagent.

C'est l'idée de base derrière les échographies, ou échographie, qui créent des images de structures dans votre corps.

Un système homogène est constitué d'un seul matériau. Un hétérogène, ou composite, système est un mélange. Mais le mélange de ces matériaux individuels, appelés phases, ne se combine pas uniformément; ils habitent des domaines distincts au sein de ce système. Les ondes lumineuses et sonores se déplacent à travers un composite donné et, car ils rencontrent des phases différentes avec des propriétés physiques différentes, ils se comportent différemment, dispersion, et interférer. En raison des interférences qui en résultent, les vitesses des vagues changent et les vagues peuvent s'atténuer, ou perdre de l'énergie.

Les formules développées dans le cadre de cette recherche permettront aux scientifiques de prédire comment les ondes agissent dans ces systèmes complexes sans avoir à résoudre deux ensembles d'équations différentielles qui régissent les ondes lumineuses et sonores, respectivement. Ils peuvent estimer les vitesses effectives des vagues et le degré d'atténuation, ou la vitesse à laquelle les ondes se dégradent dans un matériau, pour une gamme de longueurs d'onde plus large que celle sur laquelle opèrent les théories précédentes.

"Ce que nous prédisons, c'est le comportement effectif de cette onde à travers un système compliqué, " dit Torquato, un chimiste théoricien. "Et il s'avère que les propriétés effectives des ondes électromagnétiques et élastodynamiques dépendront des longueurs d'onde associées à ces ondes particulières.

"Les ondes lumineuses, par exemple, sont régies par les équations différentielles de Maxwell pour les ondes électromagnétiques. Les ondes sonores sont régies par un autre ensemble d'équations différentielles. Donc normalement, lorsque vous travaillez sur des phénomènes ondulatoires, vous avez ces deux communautés qui ne se parlent généralement pas, " ajouta Torquato. " Ce que nous avons fait, qui sort des sentiers battus, est de créer une formulation qui nous permette d'attaquer chaque problème de manière unifiée.

"Puis, nous avons fusionné les formules pour montrer que si vous pouvez me dire la réponse d'un matériau à une onde électromagnétique, Je peux vous dire quelque chose sur la réponse de ce même matériau aux ondes sonores. Alors maintenant, vous disposez de ces formules prédictives qui peuvent être appliquées afin que vous n'ayez pas à valider constamment la théorie via des simulations informatiques complètes à chaque fois que vous modifiez les paramètres. Vous êtes capable d'accéder et de prédire des phénomènes que les gens ne pouvaient même pas envisager auparavant."

La recherche se concentre sur les systèmes hétérogènes car ces systèmes sont idéaux pour atteindre plusieurs types de propriétés souhaitées, appelé multifonctionnalité, ce qui signifie que les meilleures propriétés des composites peuvent être combinées pour présenter des réponses spécifiques aux différents types d'ondes. Les matériaux peuvent alors être conçus, par exemple, pour absorber les ondes ou permettre leur transmission sans atténuation.

"Les conceptions multifonctionnelles précédentes se sont principalement concentrées sur le transport statique et les propriétés élastiques parce que les théories conventionnelles n'étaient pas précises pour prédire les phénomènes d'onde, " dit Kim. " Ainsi, notre théorie aidera à la conception rationnelle de composites multifonctionnels avec les caractéristiques d'onde souhaitées."

En route vers une future application, ces formules pourraient permettre la conception de nouveaux, matériaux multifonctionnels qui présentent des réponses spécifiques aux ondes, ouvrant la voie à des matériaux hyperuniformes conçus avec des propriétés exotiques efficaces. Ils pourraient un jour permettre la conception de composites multifonctionnels qui pourraient inclure des composants structurels pour les engins spatiaux, qui nécessitent une rigidité et une absorption électromagnétique élevées, ou des dissipateurs thermiques pour les unités centrales de traitement (CPU) et autres appareils électriques qui peuvent simultanément supprimer les vibrations mécaniques.

"Ce travail a été couronné de succès grâce aux connaissances du professeur Torquato dans le travail interdisciplinaire. C'était passionnant de relier les connaissances de deux communautés différentes - l'optique et l'acoustique - pour réaliser cette recherche, ", a déclaré Kim.