211service.com
Flexibele materialen kunnen manieren bieden om geluid en licht te manipuleren
Flexibele, gelaagde materialen getextureerd met rimpels op nanoschaal zouden een nieuwe manier kunnen bieden om de golflengten en distributie van golven te regelen, of het nu gaat om geluid of licht. De nieuwe methode, ontwikkeld door onderzoekers van MIT, zou uiteindelijk toepassingen kunnen vinden van niet-destructief testen van materialen tot geluidsonderdrukking, en zou ook nieuwe inzichten kunnen opleveren in zachte biologische systemen en mogelijk leiden tot nieuwe diagnostische hulpmiddelen.
De bevindingen worden beschreven in een artikel dat deze week is gepubliceerd in het tijdschrift P hysische beoordelingsbrieven , geschreven door MIT-postdoc Stephan Rudykh en Mary Boyce, een voormalig hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT en nu decaan van de Fu Foundation School of Engineering and Applied Science aan de Columbia University.
In het bovenste paar afbeeldingen worden geluidsgolven (blauwe en gele banden) die door een plat gelaagd materiaal gaan slechts minimaal beïnvloed. In de lagere beelden, wanneer geluid door een gerimpeld gelaagd materiaal gaat, worden bepaalde geluidsfrequenties geblokkeerd en uitgefilterd door het materiaal. Foto met dank aan Felice Frankel
Hoewel bekend is dat de eigenschappen van materialen de verspreiding van licht en geluid beïnvloeden, staan deze eigenschappen in de meeste gevallen vast wanneer het materiaal wordt gemaakt of gekweekt, en zijn ze later moeilijk te veranderen. Maar in deze gelaagde materialen kan het veranderen van de eigenschappen - bijvoorbeeld om een materiaal af te stemmen om specifieke kleuren licht uit te filteren - net zo eenvoudig zijn als het flexibele materiaal uitrekken.
Deze effecten zijn zeer afstembaar, omkeerbaar en controleerbaar, zegt Rudykh. We zouden bijvoorbeeld de kleur van het materiaal kunnen veranderen, of het eventueel optisch of akoestisch onzichtbaar kunnen maken.
De materialen kunnen worden gemaakt door middel van een laag-voor-laag depositieproces, verfijnd door onderzoekers van MIT en elders, dat met hoge precisie kan worden gecontroleerd. Het proces maakt het mogelijk de dikte van elke laag te bepalen binnen een fractie van een golflengte van licht. Het materiaal wordt vervolgens gecomprimeerd, waardoor er een reeks precieze rimpels ontstaat waarvan de onderlinge afstand kan leiden tot verstrooiing van geselecteerde frequenties van golven (van geluid of licht).
Verrassend genoeg, zegt Rudykh, werken deze effecten zelfs in materialen waar de afwisselende lagen bijna identieke dichtheden hebben. We kunnen polymeren met zeer vergelijkbare dichtheden gebruiken en toch het effect krijgen, zegt hij. Hoe golven zich al dan niet door een materiaal voortplanten, hangt af van de microstructuur en we kunnen die controleren, zegt hij.
Door die microstructuur te ontwerpen om een gewenste reeks effecten te produceren en die eigenschappen vervolgens te veranderen door het materiaal te vervormen, kunnen we deze effecten daadwerkelijk beheersen door externe stimuli, zegt Rudykh. Je kunt een materiaal ontwerpen dat rimpelt tot een andere golflengte en amplitude. Als je weet dat je een bepaald frequentiebereik wilt regelen, kun je het op die manier ontwerpen.
Het onderzoek, dat gebaseerd is op computermodellering, zou ook inzicht kunnen geven in de eigenschappen van natuurlijke biologische materialen, zegt Rudykh. Begrijpen hoe de golven zich door biologische weefsels voortplanten, zou nuttig kunnen zijn voor diagnostische technieken, zegt hij.
De huidige diagnostische technieken voor bepaalde kankers omvatten bijvoorbeeld pijnlijke en invasieve procedures. In principe zou echografie dezelfde informatie niet-invasief kunnen bieden, maar de huidige echografiesystemen hebben onvoldoende resolutie. Het nieuwe werk met gerimpelde materialen zou kunnen leiden tot een nauwkeurigere beheersing van deze ultrasone golven, en dus tot systemen met een betere resolutie, zegt Rudykh.
Het systeem kan ook worden gebruikt voor geluidsverhulling - een geavanceerde vorm van ruisonderdrukking waarbij geluiden van buitenaf volledig kunnen worden geblokkeerd vanaf een bepaald volume in de ruimte in plaats van slechts één plek, zoals bij de huidige ruisonderdrukkende hoofdtelefoons.
De microstructuur waarmee we beginnen is heel eenvoudig, zegt Rudykh, en is gebaseerd op gevestigde, laag-voor-laag fabricage. Van dit gelaagde materiaal kunnen we uitbreiden naar meer gecompliceerde microstructuren en effecten krijgen die je nooit zou krijgen met conventionele materialen. Uiteindelijk zouden dergelijke systemen kunnen worden gebruikt om een verscheidenheid aan effecten in de verspreiding van licht, geluid en zelfs warmte te regelen.
George Fytas, hoogleraar materiaalkunde en hoofd van de polymeergroep aan de Universiteit van Kreta, Griekenland, zegt dat dit een heel nieuw idee is, omdat het een directionele fonetische kloof veroorzaakt die niet bestaat in de gelaagde structuur. Hij voegt eraan toe dat deze bevinding laat zien hoe gevestigde theoretische instrumenten het gedrag van nieuwe materialen kunnen voorspellen, wat een uitdaging is voor experimentatoren.
De technologie wordt gepatenteerd en de onderzoekers zijn al in gesprek met bedrijven over mogelijke commercialisering, zegt Rudykh.
Het onderzoek werd ondersteund door het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger via het MIT Institute for Soldier Nanotechnologies.