211service.com
Flexibla material kan ge sätt att manipulera ljud och ljus
Flexibla, skiktade material strukturerade med rynkor i nanoskala kan ge ett nytt sätt att kontrollera våglängderna och fördelningen av vågor, oavsett om det är ljud eller ljus. Den nya metoden, utvecklad av forskare vid MIT, skulle så småningom kunna hitta tillämpningar från oförstörande testning av material till ljuddämpning, och kan också ge nya insikter om mjuka biologiska system och möjligen leda till nya diagnostiska verktyg.
Fynden beskrivs i en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften P hysiska granskningsbrev , skriven av MIT postdoc Stephan Rudykh och Mary Boyce, en före detta professor i maskinteknik vid MIT som nu är dekanus för Fu Foundation School of Engineering and Applied Science vid Columbia University.
I det översta bildparet påverkas ljudvågor (blå och gula band) som passerar genom ett platt skiktat material endast minimalt. I de lägre bilderna, när ljud går genom ett skrynkligt skiktat material, blockeras vissa ljudfrekvenser och filtreras bort av materialet. Foto med tillstånd av Felice Frankel
Medan materialens egenskaper är kända för att påverka spridningen av ljus och ljud, är dessa egenskaper i de flesta fall fixerade när materialet tillverkas eller odlas, och är svåra att ändra senare. Men i dessa skiktade material kan det vara så enkelt att ändra egenskaperna – till exempel för att justera ett material för att filtrera bort specifika ljusfärger – som att sträcka det flexibla materialet.
Dessa effekter är mycket avstämbara, reversibla och kontrollerbara, säger Rudykh. Till exempel kan vi ändra färgen på materialet, eller potentiellt göra det optiskt eller akustiskt osynligt.
Materialen kan tillverkas genom en lager-för-lager-deponeringsprocess, förfinad av forskare vid MIT och på andra håll, som kan kontrolleras med hög precision. Processen gör att tjockleken på varje lager kan bestämmas till inom en bråkdel av en våglängd av ljus. Materialet komprimeras sedan och skapar inom det en serie exakta rynkor vars avstånd kan orsaka spridning av utvalda frekvenser av vågor (av antingen ljud eller ljus).
Överraskande, säger Rudykh, fungerar dessa effekter även i material där de omväxlande lagren har nästan identiska densiteter. Vi kan använda polymerer med väldigt liknande densiteter och ändå få effekten, säger han. Hur vågor utbreder sig genom ett material, eller inte, beror på mikrostrukturen, och vi kan kontrollera den, säger han.
Genom att designa den mikrostrukturen för att producera en önskad uppsättning effekter, sedan ändra dessa egenskaper genom att deformera materialet, kan vi faktiskt kontrollera dessa effekter genom yttre stimuli, säger Rudykh. Du kan designa ett material som kommer att skrynklas till en annan våglängd och amplitud. Om du vet att du vill kontrollera ett visst frekvensområde kan du designa det på det sättet.
Forskningen, som bygger på datormodellering, skulle också kunna ge insikter om egenskaperna hos naturliga biologiska material, säger Rudykh. Att förstå hur vågorna fortplantar sig genom biologiska vävnader kan vara användbart för diagnostiska tekniker, säger han.
Till exempel involverar nuvarande diagnostiska tekniker för vissa cancerformer smärtsamma och invasiva procedurer. I princip skulle ultraljud kunna ge samma information icke-invasivt, men dagens ultraljudssystem saknar tillräcklig upplösning. Det nya arbetet med skrynkliga material kan leda till mer exakt kontroll av dessa ultraljudsvågor, och därmed till system med bättre upplösning, säger Rudykh.
Systemet skulle också kunna användas för ljuddöljning - en avancerad form av brusreducering där externa ljud helt kan blockeras från en viss volym av utrymme snarare än bara en enda plats, som i nuvarande brusreducerande hörlurar.
Mikrostrukturen vi börjar med är väldigt enkel, säger Rudykh, och bygger på väletablerad, lager-för-lager-tillverkning. Från detta skiktade material kan vi utöka till mer komplicerade mikrostrukturer och få effekter som du aldrig skulle kunna få från konventionella material. I slutändan skulle sådana system kunna användas för att kontrollera en mängd olika effekter vid spridningen av ljus, ljud och till och med värme.
George Fytas, professor i materialvetenskap och chef för polymergruppen vid universitetet på Kreta, Grekland, säger att detta är en mycket ny idé, eftersom den inducerar ett riktat ljudgap som inte finns i den skiktade strukturen. Han tillägger att detta fynd visar hur väletablerade teoretiska verktyg kan förutsäga nytt materialbeteende, vilket är utmanande för experimentalister.
Tekniken patenteras och forskarna för redan diskussioner med företag om möjlig kommersialisering, säger Rudykh.
Forskningen stöddes av U.S. Army Research Office genom MIT Institute for Soldier Nanotechnologies.