EO

Nieuwe materialen: wanneer geluidsgolven achteruit lopen

07 juni 2021 om 11:52 uur

Ontworpen elastische metamateriaalstructuur, samengesteld uit een enkel lineair-elastisch materiaal. Illustratie: Yi Chen, KIT

Akoestische golven in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen hebben meestal een bijna constante geluidssnelheid. Uitzondering vormen zogenaamde rotons: de geluidssnelheid verandert sterk met de golflengte en ook teruggaande golven zijn mogelijk. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) werken aan het gebruik van rotons in kunstmatige materialen. Deze metamaterialen, ontworpen op de computer en geproduceerd met ultraprecieze 3D-laserprinten, zouden in de toekomst geluid op ongekende manieren kunnen manipuleren of sturen.


De wetenschappers doen verslag van hun werk in Nature Communications.

 

Rotons zijn quasideeltjes, wat betekent dat ze zich op dezelfde manier gedragen als vrije deeltjes. In tegenstelling tot normale akoestische golven in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, verandert de geluidssnelheid aanzienlijk met de golflengte. Daarnaast zijn er drie verschillende deelgolven voor bepaalde frequenties. "De langzaamste van hen is een achterwaartse golf: de energiestroom en de golffronten lopen in precies tegenovergestelde richtingen", zegt Martin Wegener van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde (APH) en het Instituut voor Nanotechnologie (INT) van het KIT.

 

Het begrijpen en gebruiken van quasideeltjes als rotons is een van de grote uitdagingen van de kwantumfysica. De natuurkundige Lew Landau, die in 1962 een Nobelprijs ontving voor zijn pionierswerk, voorspelde het in verband met superfluïditeit, een toestand waarin een vloeistof zijn interne wrijving verliest en een bijna ideale thermische geleidbaarheid verkrijgt. Tot nu toe konden rotonen alleen worden waargenomen onder speciale kwantumfysische omstandigheden bij zeer lage temperaturen - en ontgingen daarom technisch gebruik.

 

Rotons zonder kwantumeffecten

Dat zou in de toekomst kunnen veranderen: aan het KIT en de Universiteit van Heidelberg werkt een groep onderzoekers aan metamaterialen die als het ware rotons 'kweken'. De wetenschappers stellen een metamateriaal voor dat rotonen vertoont zonder kwantumeffecten onder normale omgevingsomstandigheden en bij bijna vrij selecteerbare frequenties of golflengten. Dit zou het in de toekomst mogelijk kunnen maken om geluidsgolven in lucht of in materialen beter te manipuleren, bijvoorbeeld terug te werpen, om te leiden of echo's te genereren.

 

Deze materialen zijn nog niet experimenteel aangetoond; het moet echter mogelijk zijn om ze te produceren met behulp van bijvoorbeeld ultraprecieze 3D-laserprinten. "Inmiddels hebben we zelfs een aantal van deze metamaterialen gemaakt", meldt Wegener. "We werken momenteel intensief aan de directe experimentele detectie van rotons."

 

Van de digitale naar de fysieke wereld

De onderzoekers kwamen tot het computerondersteunde virtuele ontwerp van materialen met zulke nieuwe eigenschappen door een mix van reflectie, vele discussies en numerieke simulaties en optimalisaties. Eerste auteur Yi Chen: "Over het algemeen hebben we de droom om materialen op de computer te ontwerpen en deze vervolgens direct te vertalen naar de realiteit - zonder jaren van vallen en opstaan. 3D-printen is dan een geautomatiseerde converter van de digitale naar de fysieke wereld."

 

Gerelateerd nieuws

De wondere wereld van bolvlammen, donuts en hoefijzers

De wondere wereld van bolvlammen, donuts en hoefijzers

Bolvlammen zijn zwakke en fragiele bolvormige vlammen die tot voor kort alleen konden bestaan onder gewichtloze omstandigheden. Onderzoekers van de TU/e zijn erin geslaagd om bolvlammen waar te nemen onder normale aardse…

UvA benoemt hoogleraar Human Factors in the Internet of Things

UvA benoemt hoogleraar Human Factors in the Internet of Things

Het IoT regelt alles zelf. Toch? Of blijft de mens een belangrijke spil? De Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica van de Universiteit van Amsterdam (UvA) heeft iemand benoemd die hierover moet…

Over de vooruitgang in 3D-printtechnologie voor sensoren

Over de vooruitgang en uitdagingen bij het 3D-printen van sensoren

De laatste jaren wordt 3D-printtechnologie steeds meer toegepast bij de productie van geavanceerde technische componenten voor sensoren. Vooruitgang in de technologie, waarbij smelt- en stollingsprocessen worden gebruikt…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

7 juni 2021, online

Vision, Robotics & Motion business event

Het online alternatief voor de vakbeurs Vision, Robotics & Motion.

29 juni 2021, online

Behoud onderhoudskennis – en ervaring in de energiesector met behulp van Mixed Reality

Hoe kunnen energiebedrijven voorkomen dat waardevolle kennis de deur uitloopt door vergrijzing en andere...

29 juni 2021

Webinar: Hoe machinegegevens te verzamelen en te gebruiken via on-site oplossingen

Gericht op het bruikbaar maken van machine- en procesdata via lokale systemen

Meer agendapunten »