Brug lydbølger til at lave mønstre, der aldrig gentages

Matematikere og ingeniører ved University of Utah er gået sammen om at vise, hvordan ultralydsbølger kan organisere kulpartikler i vand til et slags mønster, der aldrig gentager sig. Resultaterne, de siger, kan resultere i materialer kaldet "kvasikrystaller" med brugerdefinerede magnetiske eller elektriske egenskaber.

Forskningen er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

"Kvasikrystaller er interessante at studere, fordi de har egenskaber, som krystaller ikke har, "siger Fernando Guevara Vasquez, lektor i matematik. "De har vist sig at være stivere end lignende periodiske eller uordnede materialer. De kan også lede elektricitet, eller spred bølger på måder, der er forskellige fra krystaller. "

Ikke-mønster mønstre

Billede et skakbræt. Du kan tage en to-to-to firkant med to sorte fliser og to hvide (eller røde) fliser og kopiere og indsætte for at få hele skakbrættet. Sådanne "periodiske" strukturer, med mønstre, der gøre gentage, forekommer naturligt i krystaller. Tage, for eksempel, et gran salt. På atomniveau, det er et gitterlignende gitter af natrium- og chloridatomer. Du kan kopiere og indsætte gitteret fra den ene del af krystallen og finde en match i enhver anden del.

Men en quasiperiodisk struktur bedrager. Et eksempel er mønsteret kaldet Penrose fliser. Ved første øjekast, de geometriske diamantformede fliser ser ud til at være i et almindeligt mønster. Men du kan ikke kopiere og indsætte dette mønster. Det vil ikke gentage sig.

Opdagelsen af ​​kvasiperiodiske strukturer i nogle metallegeringer af materialeforsker Dan Schechtman tjente en Nobelpris i kemi i 2011 og åbnede studiet af kvasikrystaller.

Siden 2012 har Guevara og Bart Raeymaekers, lektor i maskinteknik, har samarbejdet om at designe materialer med specialdesignede strukturer i mikroskalaen. De søgte i første omgang ikke at lave kvasiperiodiske materialer - faktisk deres første teoretiske forsøg ledet af matematik doktorand China Mauck, var fokuseret på periodiske materialer, og hvilke mønstre af partikler der muligvis kunne opnås ved hjælp af ultralydsbølger. I hvert dimensionsplan, de fandt ud af, at to par parallelle ultralydstransducere er tilstrækkelige til at arrangere partikler i en periodisk struktur.

Men hvad ville der ske, hvis de havde et par mere transducere? At finde ud af, Raeymaekers og kandidatstuderende Milo Prisbrey (nu på Los Alamos National Laboratory) leverede de eksperimentelle instrumenter, og matematikprofessor Elena Cherkaev gav erfaring med den matematiske teori om kvasikrystaller. Guevara og Mauck foretog teoretiske beregninger for at forudsige de mønstre, ultralydstransducerne ville skabe.

Oprettelse af de quasiperiodiske mønstre

Cherkaev siger, at quasiperiodiske mønstre kan opfattes som at bruge, i stedet for en cut-and-paste tilgang, en "cut-and-project" teknik.

Hvis du bruger cut-and-project til at designe kvasiperiodiske mønstre på en linje, du starter med et firkantet gitter på et fly. Derefter tegner eller klipper du en linje, så den kun passerer gennem en gitterknude. Dette kan gøres ved at tegne linjen i en irrationel vinkel, ved hjælp af et irrationelt tal som pi, en uendelig række tal, der aldrig gentager sig. Derefter kan du projicere de nærmeste gitternoder på linjen og være sikker på, at mønstrene for afstandene mellem punkterne på linjen aldrig gentages. De er quasiperiodiske.

Fremgangsmåden er ens i et todimensionalt plan. "Vi starter med et gitter eller en periodisk funktion i et højere dimensionelt rum, "Siger Cherkaev." Vi skærer et fly gennem dette rum og følger en lignende procedure for at begrænse den periodiske funktion til en irrationel 2-D-skive. "Når man bruger ultralydstransducere, som i denne undersøgelse, transducerne genererer periodiske signaler i det højere dimensionelle rum.

Forskerne opsatte fire par ultralydstransducere i et ottekantet stopskiltarrangement. "Vi vidste, at dette ville være den enkleste opsætning, hvor vi kunne demonstrere kvasiperiodiske partikelarrangementer, "Guevara siger." Vi havde også begrænset kontrol med, hvilke signaler der skulle bruges til at drive ultralydstransducerne; vi kunne i det væsentlige kun bruge signalet eller dets negative. "

I denne ottekantede opsætning, holdet placerede små carbon nanopartikler, suspenderet i vand. Når transducerne tændte, ultralydsbølgerne førte kulstofpartiklerne på plads, skabe et quasiperiodisk mønster, der ligner en Penrose -fliser.

"Når eksperimenterne blev udført, vi sammenlignede resultaterne med de teoretiske forudsigelser, og vi fik en meget god enighed, "Siger Guevara.

Tilpassede materialer

Det næste trin ville være at faktisk fremstille et materiale med et quasiperiodisk mønsterarrangement. Det ville ikke være svært, Guevara siger, hvis partiklerne blev suspenderet i en polymer i stedet for vand, der kunne hærdes eller hærdes, når partiklerne var på plads.

"Vigtigt, med denne metode, vi kan skabe quasiperiodiske materialer, der enten er 2-D eller 3-D, og ​​som kan have stort set alle de almindelige quasiperiodiske symmetrier ved at vælge, hvordan vi arrangerer ultralydstransducerne, og hvordan vi driver dem, "Siger Guevara.

Det er endnu ikke set, hvad disse materialer kan være i stand til, men en eventuel anvendelse kan være at skabe materialer, der kan manipulere elektromagnetiske bølger som dem, som 5G -mobilteknologi bruger i dag. Andre allerede kendte anvendelser af quasiperiodiske materialer omfatter belægninger, der ikke klæber, på grund af deres lave friktionskoefficient, og belægninger, der isolerer mod varmeoverførsel, Siger Cherkaev.

Endnu et andet eksempel er hærdning af rustfrit stål ved at indlejre små kvasikrystallinske partikler. I pressemeddelelsen til Nobelprisen i kemi i 2011 nævnes det, at kvasikrystaller kan "forstærke materialet som rustning".

Så, siger forskerne, vi kan håbe på mange nye spændende anvendelser af disse nye quasiperiodiske strukturer skabt af ultralydspartikelsamling.