Super lette dæmpere til lave toner

Et hold af Empa akustiske forskere har bygget makroskopiske krystalstrukturer, der bruger intern rotation til at dæmpe udbredelsen af ​​bølger. Metoden gør det muligt at bygge meget lette og stive materialer, der også kan "sluge" lave frekvenser rigtig godt, som de rapporterer i journalen Naturkommunikation .

Krystallernes verden byder på mange interessante egenskaber:krystaller kan ramme elektriske gnister i engangstændere, for eksempel, de kan producere polariseret lys, og de kan sprede bundtede røntgenstråler i tusinder af individuelle reflekser, der brydes i alle rumlige retninger.

Nogle af disse egenskaber bibeholdes, selvom de atomare krystalstrukturer forstørres omkring 100, 000, 000 gange, og krystallerne replikeres i stor skala. Fysikere har udnyttet dette i flere år nu:Hvis de originale krystaller spreder røntgenstråler med meget korte bølgelængder, de forstørrede kopier kan sprede svingninger med lange bølgelængder i alle retninger. Der er således fundet en meget elegant måde til vibrationsdæmpning. Forstørrede krystalstrukturer med sådanne akustiske egenskaber kaldes fononiske krystaller.

Andrea Bergamini og hans team fra Empas Akustik/Støjreduktionsafdeling er nu lykkedes med at integrere yderligere egenskaber i krystallerne, som ikke er til stede i originalerne. Forskerne byggede små, roterende plader ind i krystalstrukturerne, som er i stand til at omdanne svingninger langs længdeaksen til torsionsbevægelser. For første gang, en uønsket svingning kan ikke kun spredes i forskellige rumlige retninger, men kan også omdannes til termisk energi.

I et yderligere skridt, Bergamini og hans forskerkolleger koblede flere af de roterende skiver i krystallen sammen. Dette kan gøres på to forskellige måder:enten roterer alle diske i samme retning (isotaktisk arrangement) eller de er skiftevis forbundet med hinanden med deres rotationsretninger (syndiotaktisk arrangement). Effekten adskiller sig dramatisk:Det syndiotaktiske ABAB-arrangement af rotationsretningen skaber et såkaldt frekvensbåndgab. En bred vifte af svingninger "sluges" af rotationsmekanismen og føres ikke gennem krystallen. På den anden side, det isotaktiske AAAA-arrangement af de roterende bevægelser genererer nye bølger med lignende frekvenser, som transmitteres gennem krystallen. En mekanisk komponent med en vis geometri bestemmer derfor, om krystallen er isolerende eller ledende. Holdet har nu offentliggjort forskningsresultaterne i det aktuelle nummer af tidsskriftet Naturkommunikation .

"Kryptografivinduet"

Men hvordan kan sådanne svingningsfrekvensbåndgab bruges? I mellemtiden, der er udviklet en første model i laboratoriet, der viser en mulig funktion af fononiske krystaller:Bergamini byggede et vindue af to plexiglasplader, hvori roterende skiver i syndiotaktisk arrangement er integreret. Størrelsen på diskene er indstillet til frekvensen af ​​menneskelig tale. Ideen:når visse frekvenser filtreres fra tale, det talte indhold bliver uforståeligt for lytteren. Den menneskelige hjerne kan ikke længere samle den akustiske information til en mening. De første test i akustiklaboratoriet viser:tilgangen er meget lovende. Du kan tydeligt se de talende mennesker og også høre, hvem der taler på en dæmpet måde. Men ikke et eneste ord kan forstås klart ud fra den talte tekst.

Bergamini og hans kolleger forventer, at gennemsigtig, fononiske krystaller kunne være interessante for arkitekter og indretningsarkitekter. Dette fysiske trick gør det muligt at fremstille stive byggematerialer med en stabil form, der isolerer lyd meget godt og kan være op til 100 gange lettere end andre fononiske isoleringsmaterialer, som har samme effekt. Inden for maskinteknik, flykonstruktion og letvægts bilkonstruktion, også, frafiltrering af forstyrrende frekvenser med lette designerisoleringsmaterialer kan snart spille en stor rolle.