É internacional. Pesquisadores do Advanced Science Research Center (ASRC) do The Graduate Center da City University of New York e do City College of New York (CCNY) desenvolveram um metamaterial que pode transportar som de maneiras extraordinariamente sólidas ao longo de suas bordas e localizá-lo em seus cantos.
De acordo com um artigo publicado na Nature Materials, o material cria uma estrutura acústica robusta que pode controlar de forma incomum a propagação e localização do som, mesmo quando há imperfeições na fabricação. Esta propriedade única pode aprimorar tecnologias que usam ondas sonoras, como sonares e dispositivos de ultrassom, tornando-os mais resistentes a defeitos.
A pesquisa é uma colaboração entre os laboratórios de Alexander Khanikaev, professor nos departamentos de engenharia elétrica e física da CCNY, que também é afiliado ao ASRC, e Andrea Alù, diretora da Iniciativa Fotônica ASRC. Sua descoberta é baseada em trabalhos que trouxeram um campo da matemática chamado topologia para o mundo da ciência dos materiais. Topologia estuda as propriedades de um objeto que não são afetados por deformações contínuas. Por exemplo, um donut é topologicamente equivalente a um canudo plástico, pois ambos têm um buraco. Um pode ser moldado no outro, esticando e deformando o objeto, e sem rasgá-lo ou adicionar novos orifícios a ele.
Usando princípios topológicos, os pesquisadores previram e então descobriram isoladores topológicos, materiais especiais que conduzem correntes elétricas apenas em suas bordas, não em volume. Suas propriedades de condução incomuns vêm da topologia de sua banda eletrônica e, portanto, são extraordinariamente resistentes a mudanças contínuas, como desordem, ruído ou imperfeições.
"Houve muito interesse em tentar estender essas ideias de correntes elétricas para outros tipos de transporte de sinais, particularmente para os campos da fotônica topológica e da acústica topológica", diz Alù. "O que estamos fazendo é construir materiais acústicos especiais que possam guiar e localizar o som de maneiras muito incomuns."
Para projetar seu novo metamaterial acústico, a equipe 3D imprimiu uma série de pequenos aparadores, dispostos e conectados em uma treliça triangular. Cada unidade de aparador consistia de três ressonadores acústicos. A simetria rotacional dos aparadores, e a simetria quiral generalizada da rede, deram à estrutura propriedades acústicas únicas que vêm da topologia de sua banda acústica.
Os modos acústicos dos ressonadores hibridizados, resultando em uma estrutura de banda acústica para todo o objeto. Como resultado, quando o som é tocado em frequências fora da faixa de banda, ele pode se propagar através da maior parte do material. Mas quando o som é tocado em frequências dentro do intervalo da banda, ele só pode viajar ao longo das bordas do triângulo ou estar localizado em seus cantos. Esta propriedade, diz Alù, não é afetada por desordem ou erros de fabricação.
"Ele poderia remover completamente um canto, e o que resta formará o novo canto da rede, e ainda funcionará de forma semelhante, devido à robustez dessas propriedades", disse Alù.
Para quebrar essas propriedades, os pesquisadores tiveram que reduzir a simetria do material, por exemplo, alterando o acoplamento entre as unidades ressonadoras, o que muda a topologia da estrutura da banda e, assim, muda as propriedades do material.
"Fomos os primeiros a construir um metamaterial topológico para som que suporta diferentes formas de localização topológica, ao longo de suas bordas e em seus cantos", disse Khanikaev. "Também demonstramos que técnicas avançadas de fabricação baseadas em elementos acústicos impressos em 3D podem perceber geometrias de complexidade arbitrária em uma plataforma simples e flexível, abrindo oportunidades disruptivas no campo dos materiais acústicos. Recentemente, trabalhamos em projetos metamateriais 3D mais complexos com base nessas técnicas, que expandirão ainda mais as propriedades dos materiais acústicos e expandirão as capacidades dos dispositivos acústicos."
Esta pesquisa é resultado de um esforço colaborativo financiado pelo Programa de Nascimento da Agência de Projetos de Pesquisa Científica Avançada de Defesa (DARPA) e pelo programa EFRI da National Science Foundation (NSF).
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