At lave bølger med metamaterialer

For Jordan Raney, adjunkt ved Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik, banebrydende videnskab involverer nogle gange at slå en gummiskive med en hammer.

I et nyligt eksperiment, han og Chengyang Mo, en kandidatstuderende i Raney's Architected Materials Laboratory, brugte en 3-D-printer til at gøre dette usædvanligt, Frisbee-størrelse struktur. Den består af hundredvis af forbundne gummifirkanter, hver med et kugleleje indeni. Det er et eksempel på et "mekanisk metamateriale, "en klasse af systemer, der udviser usædvanlig fysisk adfærd, der stammer fra deres indre geometri snarere end fra egenskaberne af de materialer, de er lavet af.

Raney og Mo forsøgte at forstå udbredelsen af ​​en unik type ikke-lineær bølge kaldet en soliton. At gøre det, de placerede deres struktur oven på kuglelejer og satte et højhastighedskamera op til at registrere bølgens bevægelse ved 6, 000 billeder i sekundet. Derefter, ifølge deres papir, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , de "ophidsede prøven med en impactor" - eller ramte den med en $6 hammer fra isenkræmmeren.

Deres undersøgelse er den første, der viser, hvordan disse bølger bevæger sig i et blødt 2-D-system.

"Dette er interessant, fordi i 2D, bølgen ændrer sig dramatisk afhængigt af hvor du rammer firkanterne, " siger Mo. "Når stødet påføres i en bestemt vinkel, bølgen fokuserer sig selv og spredes ikke, mens den bevæger sig."

Denne adfærd er tidligere blevet observeret i granulære materialer, som sand, hvor det er blevet omtalt som en "lydkugle".

"Det er som en forstyrrelse ved kanten af ​​en dam, " siger Raney, "men i stedet for at sprede sig udad på en cirkulær måde, bølgen bevæger sig hen over dammen som én kompakt puls. Den vej, al energien fra inputtet kan modtages af outputtet i stedet for at spredes."

En bedre forståelse af mekaniske metamaterialer som den Raney, Mo og deres medforfattere skabte kunne have biomedicinske applikationer, da påvirkning af kroppens væv med kontrollerede energiimpulser kunne have diagnostisk eller terapeutisk værdi. Luftfart, marine- eller bilapplikationer er også mulige, med mekaniske metamaterialer, der omdirigerer kraften fra et slag væk fra mennesker eller nyttelast.