Oamenii de stiinta se inspira din pielea de rechin ca sa construiasca un nou material inteligent

Asa-numitele „metamateriale acustice” sunt concepute special pentru a controla si manipula undele sonore, de obicei în scopul amortizarii sau transmiterii sunetului. Dar un astfel de dispozitiv acustic poate indeplini doar functia pentru care a fost creat, cum ar fi amortizarea sunetului care iese dintr-un submarin, de exemplu. Acelasi dispozitiv nu poate fi refolosit pentru a comunica cu o alta nava care trece, daca situatia de la bordul submarinului o impune; trebuie utilizat un dispozitiv acustic diferit, unul dezvoltat in mod expres in acest scop.

Insa, o echipa de oameni de stiinta de la Universitatea din sudul Californiei a dezvoltat un metamaterial acustic care poate comuta intre diferite utilizari, aplicand campuri magnetice atent adaptate, potrivit unei noi lucrari din revista Research. Structura acestor noi metamateriale a fost inspirata de structura neobisnuita a pielii de rechin. Acestea pot fi utilizate pentru a imita functia de intrerupatoare, porti logice sau diode, avand potential ridicat de „computer” acustic.

Un „metamaterial” este definit din punct de vedere tehnic ca fiind un material a carui structura microscopica poate indoi fasciculele de lumina in moduri in care in mod normal raman rectilinii. Aceasta proprietate este numita indice de refractie, adica raportul dintre viteza luminii intr-un vid si cat de repede circula capatul undei de lumina.

Materialele naturale au un indice pozitiv de refractie; anumite metamateriale artificiale – sintetizate pentru prima data in laborator in 2000 – au un indice negativ de refractie, ceea ce inseamna ca interactioneaza cu lumina, astfel incat o indoaie chiar si in unghiuri foarte ascutite. (Acest lucru le face ideale pentru aplicatii in imbracaminte, deoarece orice „mantie de invizibilitate” trebuie sa fie capabila sa indoaie undele electromagnetice in jurul a ceea ce se presupune ca acopera.) Metamaterialele acustice sunt asemanatoare conceptual, cu exceptia faptului ca lucreaza cu undele sonore, mai degraba decat cu cele luminoase.

Pielea unui rechin o simtim neteda daca o palpam de la nas la coada. In directia inversa, totusi, se simt precum un smirghel. Asta se datoreaza minusculilor solzi translucizi, cu dimensiunea de aproximativ 0,2 mm, numiti „denticule” (pentru ca seamana izbitor cu dintii) pe tot corpul rechinului, fiind in special concentrate pe partile laterale si pe inotatoarele animalului. Iata secretul pentru cum de inoata atat de repede. Rechinii Mako (Isurus sp.), de exemplu, pot inota cu viteze de la 70 pana la 80 km/h, datorita unui aspect distinctiv „pasiv”, zgrumturos de pe unii dintre solzi.

Rechinul Mako cu inotatoare scurte (Isurus oxyrhynchus)

Anul trecut, au fost raportate la Universitatea din Alabama, lucrarile inginerului Amy Lang impreuna cu biologii de la Universitatea din Florida de Sud pentru a scana pielea de rechin si pentru a-i cartografia solzii, notand, in special, cat de multi dintre solzii speciei aveau acest aspect, dar si unghiurile din care apare acest tip de grunjozitate a solzilor tegumentului. Au descoperit ca pe parti si pe aripioare, solzii sunt mult mai flexibili. Aceasta flexibilitate are un efect profund asupra gradului de presiune pe care il intalneste rechinul mako in timp ce inoata.

Denticulele pielii de rechin se pot flexa in unghiuri la mai mult de 40 de grade de corpul sau, dar numai in directia inversarii fluxului (adica, de la coada la nas). Aceasta controleaza gradul de separare a fluxului, similar cu gropitele de pe o minge de golf. Adanciturile, sau solzi in cazul rechinului mako, ajuta la mentinerea fluxului in jurul corpului, reducand dimensiunea brazdelor. O minge de golf cu gropite va calatori cu 30% mai departe atunci cand este lovita decat daca in cazul in care aceasta ar fi neteda. Aceeasi reducere a presiunii tragerii (sau inotului) este valabila si pentru pielea de rechin neteda si scalata.

Aceasta abilitate in corpore de a „regla” in esenta gradul de tractiune este ceea ce a atras atentia oamenilor de stiinta de la USC, care au crezut ca un metamaterial acustic ar putea fi construit de-a lungul unor linii similare pentru a obtine proprietati multiple folosind un singur dispozitiv acustic. „Cu ajutorul metamaterialelor acustice traditionale, cream o structura si obtinem o proprietate. Cu acest nou material inteligent, putem realiza multiple proprietati cu o singura structura”, a declarat co-autorul Qiming Wang.

Au modelat pilonii din cauciuc siliconic lichid (pentru a asigura flexibilitatea) combinat cu nanoparticule de fier, intarind amestecul timp de aproximativ cinci ore inainte de a le scoate din matrite. Secretul blocarii sau transmiterii sunetului consta in structura: in acest caz, spatiul dintre o serie de piloni. Punem pilonii strans laolalta si vor capta undele sonore, mai degraba decat le-ar lasa sa treaca. Le indepartam si sunetul se poate propaga prin material.

Nanoparticulele de fier fac ca materialul sa se indoaie ca raspuns la campurile magnetice externe. „Folosim campul magnetic extern pentru a indoi pilonul si a-l ridica pentru a realiza acest tip de comutare a starii”, a declarat co-autorul Kyung Hoon Lee. Acest lucru permite materialului sa se comute inainte si inapoi intre amortizarea si transmiterea undelor sonore.

Aceasta are cateva aplicatii potential utile. Wang si ceilalti au reusit ca materialul sa imite un comutator, de exemplu, precum cel gasit in castile care anuleaza zgomotul, castile antifonice. Pilonii pot fi indoiti pentru a permite trecerea zgomotului exterior, in timp ce opreste campul magnetic readucandu-l la pozitia verticala, blocand zgomotul extern. De asemenea, au descoperit ca noul lor material ar putea imita o dioda, in care undele sonore nu pot calatori decat intr-un singur sens. Spre deosebire de metamaterialele acustice conventionale, aceasta noua clasa poate comuta intre o transmitere a sunetului unidirectional si in doua sensuri doar prin reglarea campului magnetic – util pentru camuflajul sonic (de exemplu, o „mantie de invizibilitate” sonica pentru submarine).

Ceea ce e si mai interesant este ca echipa a fost capabila sa imite porti logice decizionale simple (un operator de poarta SI, dar si un operator de poarta SAU) pentru a raspunde la diferite conditii. De exemplu, dupa spusele lui Wang, un submarin care dorea ca un dispozitiv acustic sa declanseze (sau sa nu declanseze) o comanda de atac – sau, alternativ, sa fuga – ar trebui, de obicei, sa aiba un dispozitiv care sa creeze un operator pentru fiecare conditie folosind metamateriale acustice standard, care nu mai pot fi modificate dupa ce au fost create. Aceasta noua clasa, insa, permite comutari intre operatorii de porti SI, SAU la ​​cerere, prin reglarea campului magnetic.

Pana in prezent, echipa USC si-a testat doar metamaterialul in aer. Urmatorul pas este sa testeze cat de bine se comporta in apa, folosind unde sonore din gama de frecvente ultrasonice. Cu siguranta, pielea de rechin care a inspirat noul material functioneaza bine in apa, mai putin in aer, dar e doar o chestiune de a ne intreba cat de bine functioneaza manipularea campului magnetic intr-un alt mediu. „Cauciucul este hidrofob, deci structura nu se va schimba, dar trebuie sa testam daca materialele vor avea in continuare acordabilitate sub un camp magnetic extern”, a spus Wang.