3D-gedruckte Metamaterialien zur Kontrolle von Schallwellen und Vibrationen

Wissenschaftler der USC Viterbi School of Engineering in Kalifornien haben 3D-gedruckte Metamaterialien hergestellt, mit denen sich akustische Signale und Vibrationen gezielt kontrollieren lassen.

Die Herstellung von Materialien mit präzisen Strukturen und Eigenschaften, wie Kontrolle über akustische oder optische Wellen, ist bereits möglich. Jedoch ist es Wissenschaftlern nun zum ersten Mal gelungen, diese sogenannten Metamaterialien so zu konstruieren, dass deren Eigenschaften aus der Ferne aktiviert bzw. deaktiviert werden können.

Steuerung über Magnetfeld

Professor Qiming Wang und PhD Student Kun-Hao Yu von der USC Viterbi Universität haben gemeinsam mit dem MIT Professor Nicholas Fang und Professor Guoliang Huang von der University of Missouri 3D-gedruckte Metamaterialien hergestellt, die dazu in der Lage sind Schallwellen und mechanische Vibrationen zu blocken. Im Gegensatz zu derzeitigen Metamaterialien können diese jedoch über ein magnetisches Feld ein- und ausgeschalten werden.

“Wenn man eine Struktur herstellt kann dessen Geometrie nicht geändert werden und somit auch nicht dessen Eigenschaften. Bei unserem Ansatz kann etwas sehr flexibel designed werden, damit man es mit externen Kontrollmechanismen ändern kann,” erklärt Wang.

Die 3D-gedruckten verformbaren Materialien enthalten Eisenpartikel in ihrer Gitterstruktur und können somit durch ein Magnetfeld komprimiert werden. Im Gegensatz zu physischen Kräften ist das Material dabei nicht eingeschränkt. Wenn also eine akustische oder mechanische Welle auf das Material trifft wird es dabei gestört und greift auf seine Eigenschaften zurück, die Ton und Vibrationen bestimmter Frequenzen blockieren.

Verbesserte Systeme zur Kommunikation und Tarnung

Metamaterialien werden beispielsweise zur Manipulation von Radar, Ton und Licht herangezogen und zur Entwicklung von verbesserten Kommunikationssystemen oder Tarngeräten eingesetzt.

Zukünftig glaubt das Forscherteam eine weitere einzigartige Eigenschaft dieses Materials demonstrieren zu können; eine negative Brechung, bei der die Wellen durch das Material gehen und in einem unnatürlichen Winkel zurückkommen. Dieses Phänomen soll in größeren Strukturen untersucht werden.

“Wir planen unser System zu verkleinern als auch vergrößern zu können,” fügt Wang hinzu. “Dies würde uns mehr Möglichkeiten hinsichtlich des Wellenlängenbereichs geben.”

Die Studie “Magnetoactive Acoustic Metamaterials” wurde in Advance Materials veröffentlicht.