Metakapalina – naděje pro vývoj akustických zařízení  
Němečtí výzkumníci pomocí moderní litografické metody a plastu přetvořili matematicko-fyzikální model trojrozměrné struktury do metamateriálu, jehož mechanické vlastnosti připomínají kapalinu. V oblasti akustiky by mohl vyvolat malou revoluci.

 

Zvětšit obrázek
Mechanickými vlastnostmi pentamode (pětimódový?) metamateriál připomíná kapalinu. Otevírá nové možnosti v oblasti přenosu a transformace zvuku. Kredit: CFN, KIT

Ideální kapalina je nestlačitelná a má díky nulovému vnitřnímu tření nulovou viskozitu. Zvuk se v ní šíří jenom ve formě podélných, ne však příčných vln. Z hlediska mechanických materiálových vlastností se její modul pružnosti ve smyku (míra pevnosti) rovná nule, zatímco modul objemové pružnosti (převrácená hodnota stlačitelnosti) má nekonečně velkou hodnotu. Samozřejmě, že jde o teoretický limitní případ a reálné kapaliny se k těmto parametrům více či méně blíží.


Je ale možné vytvořit pevnou látku s podobnými mechanickými vlastnostmi? Teoreticky existuje již hezkou řádku let, v  roce 1995 ji popsali Graeme Milton a Andrej Cherkaev (Čerkajev). V odborné literatuře ji najdeme pod pojmem metakapalina (metafluid) nebo „pentamode material“, což vzniklo spojením řeckého „penta“ (pět) a „mode“ (režim, mód). Toto označení souvisí s jistou formou matematického vyjádření tenzoru pružnosti ideálních metakapalin, kde v matici (6x6) je na diagonále 5 nulových složek a jedna nenulová.

Zvětšit obrázek
Střižní deformace. Kredit: Wikimedia

 

Samozřejmě, že opět jde o teoretickou idealizaci, jež není ve skutečnosti dosažitelná, udává ale kterým směrem je potřebné bádat a hledat strukturu s požadovanými vlastnostmi. V případě reálné metakapaliny se hledá metamateriál s největším poměrem modulu objemové pružnosti k modulu pružnosti ve smyku (reálný prý může být až tisíc násobek). Miltom s Čerkajevem ve své práci navrhli trojrozměrné řešení - strukturu z podlouhlých dvojitých kuželů s vnitřní symetrií jako má diamant (obrázek vpravo).

 

Po více než patnácti letech od teoretické studie se tuto představu podařilo do reálné podoby převést německým vědcům z Technického ústavu v Karlsruhe. Strukturu vytvořili podle počítačových modelů z polymeru pomocí přímé laserové litografie.

 

Zvětšit obrázek
Základním prvkem (označený oranžově) metakapaliny jsou hroty spojené čtyři „dvojkužely“, což umožňuje tvarovat celou strukturu. Kredit: CFN, KIT

„Vytvoření pentamódového metamateriálu je stejně složité, jako stavba lešení z drobných tenkých kolíčků, které se mohou dotýkat jen svými konci,“ vysvětluje první autor studie Muamer Kadic. „Prototyp z Karlsruhe je vyrobený z polymeru a jeho mechanické vlastnosti závisí od ostrosti a délky jednotlivých „homolí“. Na jedné straně musíme být schopni je vytvořit v nanometrových rozměrech a spojit ve správném úhlu. Na straně druhé je naší snahou dosáhnout, aby celek byl co největší. Vzhledem k tomu, že samotná hmota polymeru zabírá jen něco málo přes jedno procento celého objemu, materiál je velmi lehký.“


Rozměry dvojitého kuželu - zejména jeho celková délka a rozměr mírně sřezaného (komolého) hrotu, tedy jeho "špičatost" - výrazně ovlivňují mechanické vlastnosti celé struktury, která je velkou nadějí pro akustiku. Tak jako v optice se vědci pomocí metamateriálu snaží vytvořit různé pláště neviditelnosti zahalující zatím jen velmi drobné předměty před odrazem a rozptylem světla určitého vlnového rozsahu, tak by fyzikové mohli z metakapalin vhodných vlastností „ušít“ plášť neslyšitelnosti. Ale to je jen jedna, ta nejvíce medializovaná možnost, jakých se nabízí mnohem více – od akustických hranolů až po nové principy přenosu a transformace zvuku, třeba v nových typech reproduktorů.

 

Zdroje: Karlsruhe Institute of Technology, Applied Physics Letters

Datum: 10.05.2012 18:32
Tisk článku

Akustika v architektúre - Rychtáriková
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 100 Kč
cena: 94 Kč
Akustika v architektúre
Rychtáriková

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace