比翱观察丨喊你过来看这三种声学超材料

超材料为人类以前所未有的方式与大自然玩耍提供了前所未有的机会。

 

超材料是工程和科学领域令人难以置信的壮举。通过以特定方式组合各种基础材料，它们可用于以自然界中看不到的方式操纵光和声音等事物。

 

例如，你想建造一个隐形装置吗？您可能要考虑使用超材料。

在这里，我们探索了超材料的一些基本特征，并展示了超材料科学的三个当前发展。

什么是超材料，它们是如何工作的？

超材料是一种人工结构的材料，能够表现出自然界中不可见或不可用的非凡电磁特性。它们最初是在本世纪初开发的，此后已成为快速发展的跨学科研究和开发领域。

“超材料的特性是通过操纵它们的内部物理结构来定制的。这使得它们与天然材料显著不同，天然材料的特性主要取决于它们的化学成分和键。”- 大英百科全书。

 

这种材料往往由随机或周期性分布的人工结构制成，其尺寸和空间远小于入射电磁辐射的波长。一个常见的现有超材料示例是裂环谐振器(SRR)。

超材料是如何制造的？

超材料是一种工程材料，具有自然界中通常没有的特性。

“它们由多种单元组合而成，这些单元由金属和塑料等复合材料制成。这些材料通常以重复的模式排列，其尺度小于它们影响的现象的波长。” - 维基百科。

 

超材料的特性与其说是源自它们的构成材料，不如说是源自它们最终的设计和工程结构。

“它们精确的形状、几何构型、尺寸、方向和排列赋予它们能够操纵电磁波的智能特性：通过阻挡、吸收、增强或弯曲波，获得超越传统材料可能的好处。” - 维基百科。

每种超材料的结构都由它们被设计用来操纵或影响的自然现象决定。这可能会影响可见光、声音或电等。

什么是负折射率？

您可能熟悉折射的概念，即光在穿过介质（如水）时会发生弯曲。对于负折射率，顾名思义，当从正折射率介质过渡到负折射率介质时，光实际上是“反射”的，而不是被折射。

具有这种特性的超材料往往由称为晶胞的周期性间隔部分构成。这些晶胞通常明显小于外部电磁辐射的波长。

 

一些超材料的这种特性使科学家和工程师能够创造出诸如用于光学设备的平面透镜之类的东西。它们的制造成本更低，通常更轻，并且除了聚焦光之外还可以用于许多应用。

什么是负介电常数？

负介电常数是测量材料对电场的电阻及其与介电介质的相互作用。介质的介电常数描述了该介质中每单位电荷“产生”的电场强度（更准确地说，是通量）。

这是电容器等元件的基本原理。

 

由于极化效应，在低介电常数（每单位电荷）的介质中存在更多的电通量。介电常数直接与极化率有关，而极化率是衡量介质在电场作用下极化的容易程度。因此，介电常数与材料抵抗电场的能力有关- researchgate.net。

因此，像具有负介电常数的超材料这样的东西对给定电场没有电阻。

毫不奇怪，负介电常数的倒数叫做绝对介电常数。这是在给定介质中产生电场时遇到的电阻测量值。

声学超材料的一些例子

声学超材料，顾名思义，是人工创造的材料，专门设计用于控制、引导和操纵声波。

以下是最近的一些进展。

1. 这种超材料实际上可以抵消声音

波士顿大学的研究人员最近成功地创造了一种实际上可以“消除声音”的超材料。它们的环状结构能够在保持气流的同时切断声音。

 

这种类型的超材料可以作为一种轻量级和不显眼的声音衰减形式有一些有趣的应用。它可用于无人机等物品以消除噪音，或用作建筑物的隔音材料。

2. 这种声学超材料实际上可以聚焦声音

图片来源：萨塞克斯大学

 

英国苏塞克斯大学和布里斯托尔大学的研究人员正致力于创造一种可以聚焦声音的超材料。如果成功，它可以用来生产超级有针对性的扬声器或麦克风。

它们通过聚焦声波来工作，就像镜头可以聚焦光一样。最好的一点？它们部分由乐高积木构成！

这种被称为“Vari-Sound”的材料也可以应用于剧院，在这些剧院中，“廉价座位”的音质与坐在前面或中间的人相当。

3. 这种超材料可以传输和集中声音

图片来源：萨塞克斯大学先进科学研究中心

 

一组研究人员成功设计了一种超材料，可以沿其边缘传输声音并将其集中在其中心。纽约城市大学的团队利用拓扑学的数学领域来设计超材料。

“为了制造他们的新超材料，Alù和他的研究合作伙伴使用3D打印机制造了一系列微小的三聚体，一个由三个声学谐振器形成的环。科学家将三聚体固定以形成三角形晶格。” - upi.com。

多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

● 比翱工程实验室丨多孔材料与人工结构物理特性表征与验证平台

● 比翱观察丨千纸鹤、桐剪秋：折纸、剪纸启发机械超材料设计

● 比翱观察丨前沿：科学家创造了在超材料中精确控制声波的新机制

● 比翱观察丨人工智能加速拓扑优化超材料的设计
● 比翱工程实验室丨声学超构材料中涉及的非常规现象的分类

● 比翱工程实验室丨热粘性声学超材料用于抑制复杂形状结构的低频声模态
● 红了樱桃 绿了芭蕉 | 声学超材料 - 时光流转中的静音传奇

● 比翱工程实验室丨解密超材料 - Meta时代的人工结构材料

● 比翱观察丨超材料应用回顾：光学和声学

● 比翱工程实验室丨航空声学超构材料综述