Internacional. Investigadores en el Advanced Science Research Center (ASRC) en The Graduate Center de The City University of New York y en City College of New York (CCNY) han desarrollado un metamaterial que puede transportar el sonido de formas inusualmente sólidas a lo largo de sus bordes y localizarlo en sus esquinas.
De acuerdo con un artículo publicado en Nature Materials, el material crea una estructura acústica robusta que puede controlar de manera inusual la propagación y localización del sonido, incluso cuando existen imperfecciones en la fabricación. Esta propiedad única puede mejorar las tecnologías que usan ondas de sonido, como sonares y dispositivos de ultrasonido, haciéndolos más resistentes a los defectos.
La investigación es una colaboración entre los laboratorios de Alexander Khanikaev, profesor en los departamentos de ingeniería eléctrica y física del CCNY que también está afiliado al ASRC, y de Andrea Alù, directora de la Iniciativa de Fotónica del ASRC. Su avance se basa en el trabajo que trajo un campo de las matemáticas llamado topología al mundo de la ciencia de los materiales. La topología estudia las propiedades de un objeto que no se ven afectadas por deformaciones continuas. Por ejemplo, una dona es topológicamente equivalente a una pajita de plástico, ya que ambas tienen un agujero. Uno podría moldearse en el otro estirando y deformando el objeto, y sin rasgarlo ni agregarle nuevos agujeros.
Usando principios topológicos, los investigadores predijeron y luego descubrieron aisladores topológicos, materiales especiales que conducen corrientes eléctricas solo en sus bordes, no en el volumen. Sus propiedades de conducción inusuales provienen de la topología de su banda electrónica y, por lo tanto, son inusualmente resistentes a los cambios continuos, como el desorden, el ruido o las imperfecciones.
"Ha habido mucho interés en tratar de extender estas ideas de las corrientes eléctricas a otros tipos de transporte de señales, en particular a los campos de la fotónica topológica y la acústica topológica", dice Alù. "Lo que estamos haciendo es construir materiales acústicos especiales que pueden guiar y localizar el sonido de maneras muy inusuales".
Para diseñar su nuevo metamaterial acústico, el equipo imprimió en 3D una serie de pequeños trímeros, dispuestos y conectados en una celosía triangular. Cada unidad de trímero consistía en tres resonadores acústicos. La simetría rotacional de los trímeros, y la simetría quiral generalizada de la red, dieron a la estructura propiedades acústicas únicas que provienen de la topología de su banda acústica.
Los modos acústicos de los resonadores se hibridaron, dando lugar a una estructura de banda acústica para todo el objeto. Como resultado, cuando el sonido se reproduce en frecuencias fuera del intervalo de banda, puede propagarse a través de la mayor parte del material. Pero cuando el sonido se reproduce en frecuencias dentro del intervalo de banda, solo puede viajar a lo largo de los bordes del triángulo o localizarse en sus esquinas. Esta propiedad, dice Alù, no se ve afectada por errores de desorden o fabricación.
"Podría eliminar completamente una esquina, y lo que quede formará la nueva esquina de la celosía, y aún funcionará de manera similar, debido a la robustez de estas propiedades", dijo Alù.
Para romper estas propiedades, los investigadores tuvieron que reducir la simetría del material, por ejemplo, cambiando el acoplamiento entre las unidades de resonador, lo que cambia la topología de la estructura de la banda y, por lo tanto, cambia las propiedades del material.
"Hemos sido los primeros en construir un metamaterial topológico para el sonido que soporta diferentes formas de localización topológica, a lo largo de sus bordes y en sus esquinas", dijo Khanikaev. “También demostramos que las técnicas de fabricación avanzadas basadas en elementos acústicos impresos en 3D pueden realizar geometrías de complejidad arbitraria en una plataforma simple y flexible, abriendo oportunidades disruptivas en el campo de los materiales acústicos. Recientemente hemos estado trabajando en diseños de metamateriales 3D más complejos basados en estas técnicas, que ampliarán aún más las propiedades de los materiales acústicos y ampliarán las capacidades de los dispositivos acústicos".
Esta investigación es el resultado de un esfuerzo de colaboración financiado por el Programa de Nacimiento de la Agencia de Proyectos de Investigación Científica Avanzada de la Defensa (DARPA) y el programa EFRI de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF).
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