فرا مواد

یک ماده معمولی که به عنوان مانع صدا (سمت چپ) عمل می کند ، اجازه تهویه لازم برای خنک کردن فن تولید کننده نویز را نمی دهد. یک فرا قفس متشکل از تشدید کننده و گپ های خاص برای اجازه دادن به جریان هوا، می تواند نویز فرار کننده را حذف کند در حالی که همچنان تهویه را فراهم می سازد. چنین قفس هایی می توانند در سرورهای رایانه ای ضد صدا یا احتمالاً استودیوهای ضبط مفید باشند.
اعتبار: C. SHEN ET AL / ژورنال فیزیک کاربردی 2018
 
نور یک آکروبات زبردست است. از روی آینه ها پس می جهد ، از میان لنزها خم می شود تا مواد را بزرگنمایی کند ، و پیام ها را از طریق الیاف حمل می کند. اما نور نمی تواند از اشیاء موجود در مسیر خود اجتناب کند - اجتناب از آنها برای نور به خم شدن به سمت عقب نیاز دارد. نور برای انجام این کار به کمک نیاز دارد.
 
ده ها سال است که محققان در تلاشند تا موادی بسازند که بتوانند نور را به همین روش دستکاری کنند. مواد مشابه می توانند صدا را استتار کنند. چنین فرا موادی می توانند به امواج نور و صدا استعدادهایی جدید زیادی اعطا کنند. شاید خیره ‌کننده ترین کار، طراحی دو ردا برای ایجاد رداهای نامرئی بوده است، که به طور بالقوه یک شیء را قادر می سازد که از دید یا آشکارسازی توسط صوت ناپدید گردد. چنین رداهای نامرئی‌ای قوه تخیل را روشن می کنند ، و مقایسه هایی را با ردای جادویی جادوگر هری پاتر یا دستگاه در ردا پیچی رومولان در پیشتازان فضا انجام می دهند.
 
اما مدتها قبل از ظهور چنین فناوری در ردا پیچی‌ای در زیر درخت کریسمس ، تحقیقات در مورد فرا مواد و فناوری های مرتبط توانست عمیقاً بر ضبط صدا و عایق صوتی ، عکاسی و میکروسکوپی و ارتباطات اینترنتی تأثیر بگذارد. محققان در حال کار بر روی مواد هستند تا صدا را در مسیرهای آن متوقف کنند ، ماده را با لنزهای همچنان باریک شونده‌تر بزرگنمایی کنند و حرکت امواج رادیویی و مایکروویوها را برای Wi-Fi دستکاری کنند. این تحقیقات حتی این توانایی را دارد که موج های لرزه ای زمین لرزه را مهار کند.
 
دیوید اسمیت ، مهندس دانشگاه دوک می گوید: "فرا مواد راهی برای کنترل امواج به روشهایی به ما ارائه می دهد که قبلاً هرگز نداشته ایم."
 

فرا مواد در ابتدا به دلیل توانایی باورنکردنی خود در دستکاری نور مورد توجه قرار گرفت. به طور معمول ، آنها از عناصر ریزی از فلز یا پلاستیک طراحی شده اند ، که در الگوهای تکراری‌ای کوچکتر از طول موج های نور یا صوت که محققان می خواهند دستکاری کنند ، مرتب شده اند. ترتیب دقیق ، ضریب شکست مواد را تعیین می کند - یک رقم کمی توضیح دهنده این که موج الکترومغناطیسی چه مقدار دچار شکست یا خمش می شود. محققان می توانند فرا موادی با ضریب شکست منفی طراحی کنند ، به این معنی که مواد نور را به سمت عقب خم می کنند. این مانند این است که یک قاشق را در آب فرو کنید و ببینید که قسمت انتهایی گرد آن مستقیماً بیرون از آب آمده است. فرا مواد جدیدی که کار مشابهی با امواج صوتی انجام می دهند اکنون در حال افزایش هستند. و آنها ممکن است کمک کنند که جهان را مکانی ساکت تر سازیم.
 
مین یانگ و پینگ شنگ از دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ در سال گذشته در نشریه بررسی سالانه تحقیقات مواد نوشتند جذب کل صدا یک هدف از تحقیقات فرا مواد است که دارای نوید بزرگی برای کاربردهای تجاری است. شنگ می گوید این امکانات رو به گسترش است.
 
سر و صدا در همه جا هست. ماشین آلات ، هواپیماها ، قطارها ، اتومبیل ها ، فن های خنک کننده برای کامپیوتر – درست تقریباً هر چیزی نوعی صدا به وجود می آورد. برخی از مواد عادی مانند پارچه های عایق صوت اسفنجی می توانند صدا را جذب کرده و منعکس کنند ، اما اغلب بدون اجازه دادن به تهویه. این بدان معناست که چنین موادی برای ضد صدا کردن سرورهای رایانه ای ، فن ها ، سیستم های تهویه مطبوع و استودیوهای ضبط ، ایده آل نیستند ، نمونه هایی که در آن هوا باید جریان داشته باشد تا گرما انتقال یابد و از بین برود.
 
مهندس یون جینگ و همکارانش در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی برای حل این مشکل ، یک طرح ارائه داده اند. محققان برای عایق بندی صوتی این سیستم ها که همچنان بادخور داشته باشند ، در حال کار بر روی آنچه که آنها یک "فرا قفس" آکوستیکی می نامند بوده اند، یک حلقه دایره ای از ساختارهای مربعی سی دی شکل با شکافها یا کانالهای باز کوچکی در بین آنها. یک نویز ساز مانند بلندگو استریو یا فن در مرکز حلقه قرار می گیرد. محققان می توانند فرا موادی با ضریب شکست منفی طراحی کنند ، به این معنی که مواد نور را به سمت عقب خم می کنند. فرا قفس، امواج صوتی از بلندگو را طوری دستکاری می کند که نتوانند از میان شکاف ها فرار کنند ، در حالی که هوایی که در درون سازه جریان دارد می تواند آزادانه حرکت کند.
 

این فناوری به تشدید هلمهولتز متکی است ، پدیده ای که اغلب بدون دانستن نام آن، خوب آن را می شناسند. اگر تا به حال هوا را از عرض بالای یک بطری خالی دمیده اید به طوری که صدای هوم کند ، آن را ایجاد کرده اید. فرا مواد تشکیل دهنده فرا قفس جینگ متشکلند از کانالهای باز و تشدید کننده های هلمهولتز که نسبت به فرکانسهای خاصی از صدا حساس هستند. جینگ و همکارانش در آگوست سال 2017 در مقاله ای در arXiv.org گزارش دادند که هنگامی که امواج صوتی به دیواره های فرا قفس برخورد می کنند ، امواج به دام می افتند.
 
امواج لرزه ای ساطع شده در هنگام زمین لرزه به گونه‌ای مشابه با امواج صوتی رفتار می کنند ، بنابراین توسعه دستگاه هایی برای کاهش صدا ممکن است روزی به محافظت از ساختارهای آسیب پذیر در لرزش کمک کند. فرا مواد با انجام تداخل با خود، امواج لرزه ای ورودی را مسدود می کنند.
 
منبع: اَشلی ییگر