Metamateriały to materiały, których właściwości w dużej mierze nie wynikają ze struktury molekularnej, ale z ich kształtu i struktury nadrzędnej. Od tych konwencjonalnych odróżniają je niezwykłe własności fizyczne – uzyskują ujemne wartości przenikalności elektrycznej i magnetycznej. Charakteryzują się ujemnym współczynnikiem załamania światła. Wiele metamateriałów jest opartych o struktury nanorurek, nanodrutów czy innych nanostruktur węglowych^[1].

Tradycyjne materiały dźwiękochłonne to w większości porowate struktury, takie jak organiczne materiały włókniste czy wełna mineralna. Pochłaniają one w zasadzie fale dźwiękowe o średniej i wysokiej częstotliwości natomiast ich wpływ na fale o niskiej częstotliwości jest znikomy. Przez ostatnie dziesięciolecia prowadzono badania nad ich kontrolą, wprowadzając metamateriały akustyczne^[2]. Wydaje się, że efekty prac przerosły oczekiwania naukowców.

Jak podaje czasopismo „Materials Today”, w 2019 roku w wyniku pracy naukowców z Uniwersytetu w Bostonie powstał syntetyczny, akustyczny metamateriał, który dzięki wykorzystaniu technologii druku 3D został uformowany w otwartą, podobną do pierścienia strukturę. Może on wyeliminować do 94% wszystkich dźwięków, jednocześnie utrzymując przepływ powietrza^[3]. Takie wydajne wyciszanie w otwartej konstrukcji może być przydatne wszędzie tam, gdzie niezbędne są przepuszczające powietrze tłumiki dźwięku. Mowa m.in. o inteligentnych barierach dźwiękowych, redukcji hałasu wentylatora, klimatyzatora czy silnika^[4].

W tym roku w czasopiśmie „Applied Acoustics” opublikowano artykuł na temat kooperatywnego, cienkowarstwowego metamateriału akustycznego, który składa się z czterech warstw metalowych  i elastycznego elementu z kopolimeru etylenu i octanu winylu (EVA), przymocowanego do powierzchni poliimidowej (PI). Przeprowadzone badania wykazały, że materiał uzyskał znaczące rozszerzenie pasma izolacji akustycznej dla fal o niskiej częstotliwości. Niestety jak na razie konstrukcja jest zbyt cienka i ma małą sztywność, co ogranicza jej zastosowanie w praktyce^{[2, 5]}.

Ostatnio naukowcy wykazali, że skrzydła ćmy mają kluczowe cechy pożądanego technologicznego metamateriału. Taka właściwość zapewnia kamuflaż akustyczny chroniący przed polującymi na ćmy nietoperzami^[6]. Metamateriały akustyczne to bardzo różnorodna grupa materiałów, o której warto pamiętać. Być może już niedługo będą powszechnie używane, a wraz z tym zdecydowanie wzrośnie jakość naszego życia. Jedno jest pewne – ciągle się rozwijają i jeszcze nas zaskoczą

 
Źródła i więcej informacji:

• [1] https://nicprostszego.wordpress.com/2010/12/23/co-sie-kryje-w-strukturze/
• [2] https://www.mdpi.com/2073-4352/10/4/305/htm
• [3] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119303815
• [4] https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.024302
• [5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0003682X19305183?via%3Dihub
• [6] https://www.pnas.org/content/early/2020/11/17/2014531117
• [7] https://www.youtube.com/watch?v=JH3YbgzUL-U
• [8] https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/the-power-inside.html

Photo credits: Cydney Scott

Koło naukowe WAKANS
Artykuł z cyklu "Materiał miesiąca"