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可以构造稳定的声学结构基于拓扑学原理的超材

作者:巴登赌场时间:2020-07-02 05:25

  《自然材料》(Nature Materials)杂志2018年12月31日报道,美国纽约市立大学(City University of New York)先进科学研究中心(ASRC)等研究机构的科学家亚历山大卡尼卡耶夫(Alexander Khanikaev)和安德里亚阿卢(Andrea Alu)等开发了一种超材料,使用这种新材料可以构造稳定的声学结构,使其在存在制造缺陷的情况下,也能以特殊的方式控制声音的传播和定位。这可能会对声波技术的改进有重要意义。例如使声呐和超声设备更能抵抗结构缺陷带来的负面影响。

  这项研究的亮点在于,卡尼卡耶夫等将拓扑数学引入了材料科学领域。对物体展开拓扑学研究不会受到连续形变的影响。例如在拓扑学意义上,甜甜圈与塑料吸管是等同的,因为它们都有一个洞,两者可以通过拉伸和形变相互转化。在之前的研究中,研究人员利用拓扑学原理,预测并发现了只能在材料边缘传导电流的拓扑学绝缘体。拓扑绝缘体非同寻常的导电性能源于其特殊的电子带隙拓扑结构。它们对无序、噪声或缺陷等连续变化具有超强的“抵抗力”。阿卢说:“将这些想法从电学扩展到其他领域,尤其是拓扑光子学和拓扑声学领域,已经引起了很多研究人员的兴趣。我们构筑的特殊声学材料,能以非同寻常的方式引导和定位声音。”

  为了制造这种新型声学超材料,研究小组利用3D打印技术制造了一系列小型三聚体,并将其排列、连接在一个三角形网格中。每个三聚体单元由3个声学谐振器组成。三聚体的旋转对称性和晶格的手性对称性,赋予了新结构独特的声学特性——当声音以带隙外频率传播时,它可以通过材料的大部分区域。而当声音以带隙内频率传播时,它只能沿着三角形的边缘传播或定位在角上。阿卢认为,新材料的声学性能不会受到无序化或制造缺陷的影响。

  新材料的声学特性也是可以改变的,研究人员通过降低材料的对称性,例如改变谐振腔单元之间的耦合,即改变带隙结构的拓扑结构,就能改变材料的性能。卡尼卡耶夫说:“我们的研究不仅制造了拓扑声学超材料,还展示了基于3D打印的声学元件先进制造技术。该技术可以在一个简单灵活的平台上制造出任意的复杂几何形状。这或许可为声学材料领域带来颠覆性的认识。近年来,我们正在尝试使用这种技术设计和制造更复杂的三维超材料,以便进一步改善声学材料的性能。”

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