Forskning forbinder elastodynamiske og elektromagnetiske bølgefænomener

Forestil dig fremskridtene til prædiktiv modellering, hvis du kunne udlede noget om, hvordan lys forstærker farver i en fugls fjerdragt ud fra den måde, seismiske bølger udbreder sig gennem bjergsystemer.

Det er en smule hyperbole, der ikke desto mindre antyder den "smukke" nytte af nye matematiske formler udtænkt af Princeton professor i kemi Salvatore Torquato og sjetteårs kandidatstuderende Jaeuk Kim fra Institut for Fysik, mens de fremmer vores forståelse af, hvordan forskellige typer bølger opfører sig indvendige materialer.

Torquato, Lewis Bernard professor i naturvidenskab og direktør for Complex Materials Theory Group, offentliggjort forskning i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) forbinder bølgefænomener, der aldrig tidligere har været forbundet. For første gang, forskningen anvender en samlet tilgang, der forener adfærden af ​​elastodynamiske (lyd)bølger med opførselen af ​​elektromagnetiske (lys)bølger, når de udbreder sig gennem heterogene, eller komposit, materialer.

Torquato og Kim demonstrerer også, at måden disse bølger bevæger sig gennem et heterogent materiale på sin side belyser egenskaber ved selve materialets mikrostruktur. Mikrostrukturen - det rumlige arrangement af de forskellige materialer, der udgør det heterogene materiale - påvirker den måde, bølger udbreder sig på.

Dette er den grundlæggende idé bag ultralydsscanninger, eller sonografi, der skaber billeder af strukturer i din krop.

Et homogent system består af et enkelt materiale. En heterogen, eller komposit, systemet er en blanding. Men blandingen af ​​disse individuelle materialer - kaldet faser - kombineres ikke jævnt; de bebor adskilte domæner inden for dette system. Lys- og lydbølger bevæger sig gennem en given komposit og, da de møder forskellige faser med forskellige fysiske egenskaber, de opfører sig anderledes, sprede, og blande sig. På grund af den resulterende interferens, bølgehastighederne ændres, og bølgerne kan dæmpes, eller mister energi.

Formlerne udviklet under denne forskning vil gøre det muligt for forskere at forudsige, hvordan bølger virker i disse komplekse systemer uden at skulle løse for to sæt differentialligninger, der styrer lys- og lydbølger, henholdsvis. De kan estimere de effektive bølgehastigheder og dæmpningsgrad, eller den hastighed, hvormed bølger nedbrydes i et materiale, for et bredere spektrum af bølgelængder end det, som tidligere teorier opererer på.

"Det, vi forudsiger, er den effektive opførsel af denne bølge gennem et kompliceret system, " sagde Torquato, en teoretisk kemiker. "Og det viser sig, at de effektive egenskaber af både elektromagnetiske og elastodynamiske bølger vil afhænge af de bølgelængder, der er forbundet med disse særlige bølger.

"Lette bølger, for eksempel, er styret af Maxwells differentialligninger for elektromagnetiske bølger. Lydbølger er styret af et andet sæt differentialligninger. Så normalt, når du arbejder på bølgefænomener, du har disse to fællesskaber, der typisk ikke taler med hinanden, " tilføjede Torquato. "Hvad vi har gjort, som er helt ude af kassen, er at skabe en formulering, der giver os mulighed for at angribe hvert problem på en samlet måde.

"Derefter, vi smeltede formlerne sammen for at vise, at hvis du kan fortælle mig, hvordan et materiale reagerer på en elektromagnetisk bølge, Jeg kan fortælle dig noget om det samme materiales respons på lydbølger. Så nu, du har disse prædiktive formler, der kan anvendes, så du ikke konstant skal validere teorien via fuld-blæste computersimuleringer, hver gang du ændrer parametrene. Du er i stand til at få adgang til og forudsige fænomener, som folk ikke engang kunne overveje før."

Forskningen er centreret om heterogene systemer, fordi disse systemer er ideelle til at opnå flere typer af ønskede egenskaber, kaldet multifunktionalitet, hvilket betyder, at de bedste egenskaber ved kompositter kan kombineres for at udvise specifikke reaktioner på de forskellige typer bølger. Materialer kan derefter designes, for eksempel, at absorbere bølger eller tillade dem at blive transmitteret uden dæmpning.

"Tidligere multifunktionelle designs har hovedsageligt fokuseret på statisk transport og elastiske egenskaber, fordi konventionelle teorier ikke var nøjagtige til at forudsige bølgefænomener, sagde Kim. vores teori vil hjælpe det rationelle design af multifunktionelle kompositter med ønskede bølgeegenskaber."

På vej mod en fremtidig ansøgning, disse formler kunne give mulighed for design af nye, multifunktionelle materialer, der udviser specifikke reaktioner på bølger, baner vejen for konstruerede hyperuniforme materialer med eksotiske effektive egenskaber. De kunne en dag muliggøre design af multifunktionelle kompositter, der kan omfatte strukturelle komponenter til rumfartøjer, som kræver høj stivhed og elektromagnetisk absorption, eller køleplader til centralenheder (CPU'er) og andre elektriske enheder, der samtidigt kan undertrykke mekaniske vibrationer.

"Dette arbejde var vellykket takket være professor Torquatos indsigt i at arbejde på tværs af discipliner. Det var spændende at bygge bro mellem to forskellige samfunds viden - optik og akustik - for at opnå denne forskning, " sagde Kim.