Un nuevo metamaterial controla las ondas acústicas a su antojo

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NC State) y de la Universidad de Duke (EE.UU.) han desarrollado un metamaterial hecho de papel y aluminio que puede manipular las ondas acústicas hasta más que doblar la resolución de las imágenes acústicas, enfocar las ondas acústicas, y controlar los ángulos con los que el sonido pasa a través del metamaterial. Las herramientas de imágenes acústicas se utilizan tanto en el diagnóstico médico como en las pruebas de integridad de todo tipo de estructuras, desde aviones hasta puentes.

"Este metamaterial es algo que sabíamos que era teóricamente posible, pero en realidad nadie lo había fabricado antes", dice Yun Jing, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State y autor de un artículo que describe el trabajo, en la información de su universidad.

Los metamateriales son simplemente materiales que han sido diseñados para exhibir propiedades que no se encuentran en la naturaleza. En este caso, el diseño estructural del metamaterial le da cualidades que lo hacen "hiperbólico". Esto significa que interactúa con ondas acústicas de dos maneras diferentes. En una dirección, exhibe una densidad positiva e interactúa con ondas acústicas con normalidad -justo igual que el aire. Pero desde una dirección perpendicular, el metamaterial exhibe una densidad negativa en términos de cómo interactúa con el sonido. Esto hace en la práctica que las ondas acústicas se curven en ángulos que son exactamente lo contrario de lo que la física básica haría esperar.

El efecto práctico de esto es que el metamaterial tiene algunas aplicaciones muy útiles.

Por un lado, se puede utilizar para mejorar la toma de imágenes acústicas. Tradicionalmente, los escáneres acústicos no han podido conseguir una resolución de imagen más pequeña que la mitad de la longitud de onda de un sonido. Por ejemplo, una onda acústica de 100 kilohercios (kHz), viajando a través del aire, tiene una longitud de onda de 3,4 milímetros, por lo que no se podía lograr una resolución de imagen menor que 1,7 mm.

"Pero nuestro metamaterial mejora eso", dice Chen Shen, estudiante de NC State y autor principal del artículo. "Al colocar el metamaterial entre el dispositivo de imagen y el objeto fotografiado, hemos sido capaces de obtener más que doblar la resolución de la imagen acústica, de la mitad de la longitud de onda del sonido a más de una quinta parte."

Enfocadas

El metamaterial también puede enfocar ondas acústicas, lo que hace que sea una herramienta flexible.

"El personal médico y los ingenieros de estructuras a veces necesitan enfocar sonido para tomar imágenes o con fines terapéuticos", dice Jing. "Nuestro metamaterial puede hacer eso, además de poder utilizarse para mejorar la resolución. Hay pocas herramientas que puedan hacer las dos cosas".

Por último, el metamaterial da a los investigadores un mayor control sobre el ángulo con el que las ondas acústicas pueden pasar a través de él.

"Por ejemplo, el metamaterial podría diseñarse para bloquear el sonido en la mayoría de los ángulos, dejando sólo una pequeña abertura para que el sonido pase a través de ella, lo que podría ser útil para los micrófonos", dice Shen. "O podría dejarlo abierto: es extremadamente flexible."

Ahora mismo, el metamaterial prototipo tiene aproximadamente 30 centímetros cuadrados, y funciona para los sonidos de entre 1 y 2,5 kHz. "Nuestros próximos pasos son hacer la estructura mucho más pequeña, y que pueda funcionar a frecuencias más altas", dice Jing.

Referencia bibliográfica:

Chen Shen, Yangbo Xie, Ni Sui, Wenqi Wang, Steven A. Cummer, Yun Jing: Broadband Acoustic Hyperbolic Metamaterial. Physical Review Letters (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.254301