Puede cambiar la estructura de forma remota y bajo demanda, acomodando diferentes condiciones de transmisión
Desde los auriculares que usamos para escuchar nuestras canciones o podcasts favoritos, hasta el camuflaje sónico empleado por los submarinos, la forma en que transmitimos y experimentamos el sonido es una parte esencial de cómo nos relacionamos con el mundo que nos rodea.
Los metamateriales acústicos son materiales diseñados para controlar, dirigir y manipular ondas sonoras a medida que pasan a través de diferentes medios. Como tal, se pueden diseñar e insertar en una estructura para amortiguar o transmitir sonido.
El problema es que los metamateriales acústicos tradicionales tienen geometrías complejas. A menudo hechas de metal o plástico duro y, una vez que se crean, no se pueden cambiar. Tomemos, por ejemplo, un dispositivo acústico construido para amortiguar el sonido saliente en un submarino, para que pueda lograr sigilo. Si surgiera una condición diferente, por ejemplo, un aliado con el que el submarino quisiera comunicarse, el mismo dispositivo acústico no permitiría que el sonido se transmitiera externamente.
Un equipo de investigadores de la USC, dirigido por Qiming Wang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani, creó un nuevo material inteligente que se adapta a demanda a los cambios en la transmisión acústica. "Con los metamateriales acústicos tradicionales, se crea una estructura y se logra una propiedad. Con este nuevo material inteligente, podemos lograr múltiples propiedades con una sola estructura", dijo Wang.
Al estudiar este nuevo material, Wang y su equipo descubrieron que su material inteligente tenía la capacidad de recrear propiedades intrínsecas a los dispositivos electrónicos, como los interruptores, lo que demuestra la promesa de una transmisión de sonido inteligente: una "computadora" de sonido.
Wang y su equipo, incluido el USC Viterbi, los candidatos a Ph.D. Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin y Zhangzhengrong Feng, y el erudito posdoctoral Hasan Al Ba'ba'a, detallaron sus hallazgos en su trabajo "Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials", publicado recientemente en Research.
Inspirado por las propiedades duales creadas por los dentículos dérmicos en la superficie de la piel de un tiburón, el equipo creó un nuevo metamaterial acústico que contiene nanopartículas magneto-sensibles que se doblarán bajo la fuerza de los estímulos magnéticos. Esta fuerza magnética puede cambiar la estructura de forma remota y bajo demanda, acomodando diferentes condiciones de transmisión.
Imagen: Principio de diseño inspirado en la piel de tiburón de los metamateriales acústicos reconfigurables magnetoactivos.
Modulación de múltiples propiedades acústicas en un dispositivo
El metamaterial acústico creado por los investigadores está hecho de caucho y una mezcla de nanopartículas de hierro. El caucho ofrece flexibilidad, permitiendo que los materiales se doblen y flexionen de manera reversible y repetida, mientras que el hierro hace que el material responda al campo magnético.
Para hacer que las estructuras respondan a las entradas acústicas, Wang y su equipo tuvieron que ensamblar los materiales de manera que la resonancia entre ellos (resonancia Mie) permitiera cambios en la transmisión acústica, ya sea bloqueando o conduciendo una entrada acústica. Si los pilares están más juntos, la onda acústica quedará atrapada de manera efectiva y se evitará que se propague al otro lado de la estructura. Por el contrario, si los pilares están más separados, la onda acústica pasará fácilmente.
"Utilizamos el campo magnético externo para doblar el pilar y deshacer el pilar para lograr este tipo de cambio de estado", dijo el autor principal, Lee. El resultado es un cambio de una posición que bloquea la transmisión acústica a una que conduce efectivamente las ondas acústicas. A diferencia de los metamateriales acústicos tradicionales, no se requiere contacto directo o presión para cambiar la arquitectura de los materiales.
Una "computadora" sonora
Wang y su equipo pudieron demostrar cómo su material inteligente podía imitar tres dispositivos electrónicos clave: un interruptor, una puerta lógica y un diodo. La interacción de los materiales magneto-sensibles con el campo magnético manipula la transmisión acústica de tal manera que crea funciones como un circuito eléctrico.
Próximos pasos
En este momento, Wang y su equipo han estado probando su material en el aire. A continuación, esperan probar las mismas propiedades bajo el agua, para ver si pueden lograr las mismas características en un rango de ultrasonido.
"El caucho es hidrofóbico, por lo que la estructura no cambiará, pero tenemos que probar si los materiales seguirán siendo ajustables bajo un campo magnético externo", dijo Wang, señalando que el agua tendrá más resistencia y, por lo tanto, agregará más fricción a la situación.
Artículo científico: Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials
