«Мы знаем, что этот метаматериал теоретически возможен, но на самом деле никто не делал этого раньше», — говорит Юнь Цзин, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина и автор статьи с описанием работы.Метаматериалы — это просто материалы, которые были спроектированы так, чтобы проявлять свойства, не встречающиеся в природе. В этом случае структурный дизайн метаматериала придает ему качества, которые делают его «гиперболическим» метаматериалом. Это означает, что он взаимодействует с акустическими волнами двумя разными способами.
С одной стороны, метаматериал имеет положительную плотность и нормально взаимодействует с акустическими волнами — как воздух. Но с перпендикулярного направления метаматериал демонстрирует отрицательную плотность с точки зрения того, как он взаимодействует со звуком.
Это фактически заставляет акустические волны изгибаться под углами, которые прямо противоположны тем, которых вы ожидаете от базовой физики.Практический эффект от этого состоит в том, что у метаматериала есть несколько очень полезных приложений.
Во-первых, метаматериал можно использовать для улучшения акустического изображения. Традиционно акустическая визуализация не могла достичь разрешения изображения менее половины длины волны звука. Например, акустическая волна 100 килогерц (кГц), проходящая через воздух, имеет длину волны 3,4 миллиметра (мм), поэтому она не может достичь разрешения изображения менее 1,7 мм.
«Но наш метаматериал это улучшает», — говорит Чен Шен, доктор философии. студент NC State и ведущий автор статьи. «Поместив метаматериал между устройством формирования изображения и изображаемым объектом, мы смогли более чем вдвое увеличить разрешение акустического изображения — с половины длины волны звука до более чем одной пятой».Метаматериал также может фокусировать акустические волны, что делает его гибким инструментом.«Медицинскому персоналу и инженерам-строителям иногда необходимо сфокусировать звук для визуализации или терапевтических целей», — говорит Цзин. «Наш метаматериал может это сделать, или его можно использовать для улучшения разрешения. Есть несколько инструментов, которые могут сделать и то, и другое».
Наконец, метаматериал дает исследователям больше контроля над углом, под которым акустические волны могут проходить через него.«Например, метаматериал может быть спроектирован так, чтобы блокировать звук с большинства углов, оставляя только небольшое отверстие для прохождения звука, что может быть полезно для микрофонов», — говорит Шен. «Или вы можете оставить его широко открытым — он чрезвычайно гибкий».
Прямо сейчас метаматериал прототипа имеет площадь примерно 30 сантиметров и эффективен для звуков от 1 до 2,5 кГц.«Наши следующие шаги — сделать структуру намного меньше и заставить ее работать на более высоких частотах», — говорит Цзин.