Un nuevo metamaterial es capaz de transportar el sonido de formas inusualmente sólidas a lo largo de sus bordes y localizarlo en sus esquinas, mejorando las prestaciones de dispositivos acústicos.

De acuerdo con un nuevo artículo publicado en Nature Materials, el material de nueva ingeniería 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.

El avance, alcanzado por el Advanced Science Research Center (ASRC) de la CUNY (City University of New York) 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.

Usando principios topológicos, los investigadores predijeron y luego descubrieron aisladores topológicos, materiales especiales que conducen corrientes eléctricas solo en sus bordes. 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 desorden, ruido o 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 Andrea Alù, autora principal del estudio. “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 se derivan 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 seguirá funcionando 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 el couator Alexander Khanikaev.

El equipo ha estado trabajando en sistemas más complejos 3- D diseños de metamateriales basados en estas técnicas, que ampliarán aún más las propiedades de los materiales acústicos y las capacidades de los dispositivos acústicos”.

Fuente: Europa Press