Создан программируемый метаматериал, у которого больше состояний, чем атомов во Вселенной
В Лаборатории волновой инженерии для экстремальных и интеллектуальных материалов We-Xite Коннектикутского университета создан программируемый метаматериал, у которого больше состояний, чем атомов во Вселенной.
Статья о новинке вышла в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Ее основное назначение — управление звуковыми волнами: в зависимости от конфигурации, материал может искривлять их, поглощать или фокусировать.
«Метаматериалы — это искусственные материалы, способные проявлять необычные свойства, которые сложно найти в природе», — объясняет аспирантка Мелани Кио, первый автор исследования.
Метаматериал состоит из асимметричных столбов с одной или несколькими вогнутыми гранями, формой похожих на огрызки яблока. Столбики собраны в решетку 11×11, и каждый из них может поворачиваться своим моторчиком с точностью до одного градуса. Это прототип, концепцией предусмотрена масштабируемость, в том числе и в 3D.
Звуковые волны, проходя через материал, отражаются от вогнутых поверхностей столбов. А поскольку каждый столб можно настраивать индивидуально, возникает практически бесконечное число возможных траекторий для распространения звука через решетку.
Это означает, что материал можно использовать для усиления звуковых волн, фокусируя их в одной точке. Такие возможности крайне востребованы в акустических пинцетах, методах медицинской визуализации (например, при ультразвуковых исследованиях) или в целевых терапевтических методиках.
Потенциальные применения и научная значимость
«Представьте себе что-то вроде опухоли мозга — то, что нужно уничтожить, но при этом нельзя взять скальпель. Даже высокоинтенсивный звук на начальном этапе не подойдет. Нужны волны очень малой амплитуды, которые сфокусируются лишь в одной точке, а затем рассеются. Так можно ослабить опухоль, разрушить камни в почках или управлять мельчайшими частицами внутри человеческого тела, куда невозможно добраться физически — но куда могут проникнуть звуковые волны», — говорит заведующий We-Xite профессор Усама Р. Билал.
Новинку можно использовать как платформу для изучения фундаментальных концепций физики волн. Один из примеров — топологические изоляторы, то есть материалы, способные проводить электричество только по поверхности, но не внутри (за изучение этого явления несколько лет назад была присуждена Нобелевская премия по физике). Того же разработчики сумели добиться от звука: волны могут распространяться вдоль краев материала, не проникая внутрь.
В другой работе метаматериалы применены для снижения силы сопротивления движущихся объектов, что позволяет экономить энергию и топливо.
«Это прорыв в нашей области, потому что обычно у материала есть лишь несколько устойчивых состояний, в которые его можно переключить, а наш предлагает больше конфигураций, чем атомов во Вселенной. Вот насколько это значимо для нашего научного сообщества», — подчеркивает Билал.
Конструктивные инновации и перестраиваемость
Идея использовать шестеренки или моторчики для поворота отдельных столбов возникла у Кио из-за желания решить одну из насущных инженерных проблем: «Обычно метаматериалы статичны, то есть не могут менять форму после изготовления».
Для метаматериала, управляющего звуком, это означает, что его можно «настроить» лишь на определенный диапазон частот — то есть универсальностью он не отличался бы. К тому же, статичный метаматериал может полностью утратить эффективность при повреждении, даже в результате обычного износа.
А программируемый метаматериал можно перенастраивать, не изготавливая заново, говорит изобретательница. Причем, поскольку она построила схему для управления моторчиками в реальном времени, делать это исключительно просто.
«Еще одна уникальная черта этой работы — комбинаторный подход», — развивает мысль Кио, показывая, что эффекты метаматериала можно усиливать, комбинируя ориентации столбов. Два, четыре или больше столбов, движущихся как единое целое, образуют «суперячейку», что открывает перед инженерами еще больше переменных для экспериментов.
«С такой платформой можно проводить самые разные манипуляции, — говорит Билал. — Суперячейки в сочетании с асимметрией позволяют нам еще больше расширить пространство вариантов дизайна. Это очень гибкий подход к настройке метаматериалов».
Трудности и перспективы
Огромный объем пространства возможных конфигураций создает и проблемы — при таком количестве вариантов расположения столбов вручную просчитать акустический эффект для каждого из них невозможно. Кио шутит, что если бы она начала эту работу сейчас, расчеты бы пришлось доделывать ее внукам.
Билал ставит вопрос иначе: «Если вам предстоит исследовать количество вариантов, равное числу атомов во Вселенной, с какого же вы начнете?»
Команда обратилась к алгоритмам искусственного интеллекта и эвристическим методам, чтобы понять, как материал будет проводить звук при различных конфигурациях.
«Конечная цель — полностью автономный материал, обладающий способностью и интеллектом для самостоятельной оптимизации своей работы с помощью машинного обучения», — подытожил профессор.
