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

Een gevleugelde microchip: de kleinste door mensen gemaakte vliegende structuur ooit

Microchips kunnen nieuw kunstje: vliegen

Ingenieurs van de Northwestern University (VS) hebben een nieuwe mogelijkheid toegevoegd aan elektronische microchips: vliegen. De vliegende chip (of 'microflier') is ongeveer zo groot als een zandkorrel en…

Nieuw motorontwerp kan het gebrul van straaljagers dempen

Nieuw motorontwerp dempt het gebrul van straaljagers

Lucht- en ruimtevaartingenieurs van de Universiteit van Cincinnati (VS) hebben een nieuw mondstukontwerp voor F-18-gevechtsvliegtuigen bedacht om het oorverdovende gebrul van de motoren te dempen zonder de prestaties te…

Wereldprimeur: watertaxi op waterstof

Wereldprimeur: watertaxi op waterstof

In de scheepvaart zien we nog maar weinig toepassingen van waterstof . Dat komt doordat waterstof veel duurder is dan bijvoorbeeld diesel; het nog ontbreekt aan een goede infrastructuur zoals tankstations; en omdat…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Volledig metalen transponderschakelaar CTA

Met een volledig metalen behuizing is deze CTA een nóg sterkere variant dan de kunststof versie.

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

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

29 september 2021, Groningen

Main Industry

Vakbeurs voor industrial maintenance en smart industry

4 oktober 2021

Week van de mki

FME-week over boeien en binden in de techniek.

13 oktober 2021, Den Bosch

Efficiënt Aandrijven Event 2021

De focus van dit event ligt op energiebesparende oplossingen in de gehele aandrijfketen en niet...

Meer agendapunten »