Het We-Xite-lab, onder leiding van de assistent-professor engineering Osama R. Bilal, heeft een opnieuw configureerbaar metamateriaal ontwikkeld dat in staat is om geluidsgolven te beheersen. Dit innovatieve materiaal kan geluidsgolven buigen, dempen of focussen, en biedt real-time afstemming met bijna oneindige mogelijke vormen. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Metamaterialen zijn kunstmatige materialen die buitengewone eigenschappen kunnen bereiken die niet gemakkelijk in de natuur te vinden zijn,” legt Ph.D. kandidaat Melanie Keogh uit. Het team van onderzoekers wilde een materiaal ontwikkelen dat geluidsgolven controleert en tegelijkertijd aanpasbaar is in zowel frequentie als functie, met potentieel toepassingen variërend van medische beeldvorming tot geluiddemping.
Het metamateriaal bestaat uit asymmetrische pilaren met één of meer holle gezichten, vergelijkbaar met de vorm van een appelkern. Deze pilaren zijn gerangschikt in een 11×11 rooster, waarbij motoren de oriëntatie van elke pilaar regelen. De motoren zijn nauwkeurig afgesteld, wat betekent dat de oriëntatie kan worden gecontroleerd in stappen van één graad.
Geluidsgolven die door het materiaal worden gestuurd, weerkaatsen af van de holtes van de pilaren. Aangezien elke pilaar individueel kan worden aangepast, zijn er bijna oneindig veel mogelijke paden voor de geluidsgolven om door het rooster te reizen.
Dit betekent dat het materiaal kan worden gebruikt om het effect van geluidsgolven te intensiveren door ze naar een enkel punt te richten. Dergelijke toepassingen zijn uiterst nuttig in acoustische pincetten, medische beeldvormingstechnieken zoals echografie, of in gerichte therapeutische technieken.
“Stel je iets voor als een hersentumor—iets dat je wilt vernietigen, maar tegelijk kun je daar niet met een scalpel in,” legt Bilal uit. “Je hebt geluidsgolven van zeer lage amplitude nodig die zich alleen op één punt richten en daarna verspreiden. Op die manier kun je een tumor verzwakken of een niersteen aanvallen.”
Daarnaast kan het ontwikkelde metamateriaal ook dienen als een platform voor het bestuderen van fundamentele concepten in de golvenfysica. De onderzoeksgroep heeft hun metamaterialen gebruikt om geluid op een vergelijkbare manier te beheersen, wat betekent dat geluidsgolven kunnen worden gericht om langs de buitenkant van het materiaal te reizen zonder deze door te dringen.
Keogh legt uit dat het team het idee kreeg om tandwielen of motoren te gebruiken om de individuele pilaren te draaien, omdat ze een hardnekkig engineeringprobleem wilden oplossen: “Traditioneel zijn metamaterialen vast, wat betekent dat ze hun vorm niet kunnen veranderen na productie.” Dit zou betekenen dat een metamateriaal dat geluid manipuleert alleen kon worden “afgestemd” op een specifieke frequentiebereik.
Dit metamateriaal “stelt je in staat om het te heroriënteren of ‘af te stemmen’ zonder het hele materiaal opnieuw te produceren,” zegt Keogh.
De enorme reikwijdte van het ontwerp roept echter uitdagingen op. Met zoveel mogelijke configuraties van de pilaren zou het onmogelijk zijn om handmatig te berekenen hoe elke configuratie de geluidsgolven beïnvloedt. Het team wendt zich tot AI-algoritmen om te helpen begrijpen hoe het materiaal geluid zal voortplanten over verschillende configuraties.
“Het einddoel is een volledig autonoom materiaal dat zowel de mogelijkheid als de intelligentie heeft om zijn prestaties te optimaliseren door middel van machine learning,” zegt Bilal. Dit materiaalplatform brengt ons een stap dichter bij de visie van ons lab op golfengineering door middel van extreme en intelligente materialen.
De reis van Keogh en Bilal begon toen Keogh als undergraduate studenten onderzoek deed in Bilal’s lab, wat leidde tot essentiële innovaties in de materiële wetenschap. “In mijn hoofd is dit waar UConn voor staat,” voegt Bilal toe. “Het trainen van jonge ingenieurs om zich te ontwikkelen tot professionele, wereldklasse wetenschappers is een van de meest lonende delen van zijn professor zijn.”
