Tecnologia Científica
Propagação de ultrassom ajustável em metamateriais em microescala
Nova estrutura avança capacidades experimentais, incluindo design e caracterização, de metamateriais acústicos em microescala.
Por
Anne Wilson - 27/11/2024
Um novo estudo apresenta uma estrutura de design para controlar a propagação de ondas de ultrassom em metamateriais acústicos microscópicos. Os pesquisadores se concentraram em uma rede cúbica com suportes que compreendem um design “braced-cubic”. Créditos: Imagem cortesia dos pesquisadores.
Metamateriais acústicos — materiais arquitetados que têm geometrias personalizadas projetadas para controlar a propagação de ondas acústicas ou elásticas através de um meio — foram estudados extensivamente por meio de métodos computacionais e teóricos. As realizações físicas desses materiais até o momento foram restritas a tamanhos grandes e baixas frequências.
“A multifuncionalidade dos metamateriais — sendo simultaneamente leves e fortes, enquanto têm propriedades acústicas ajustáveis — os torna excelentes candidatos para uso em aplicações de engenharia de condições extremas”, explica Carlos Portela, Robert N. Noyce Career Development Chair e professor assistente de engenharia mecânica no MIT. “Mas os desafios na miniaturização e caracterização de metamateriais acústicos em altas frequências têm dificultado o progresso em direção à realização de materiais avançados que tenham capacidades de controle de ondas ultrassônicas.”
Um novo estudo coautorado por Portela; Rachel Sun, Jet Lem e Yun Kai do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT (MechE); e Washington DeLima do Campus de Segurança Nacional do Departamento de Energia dos EUA em Kansas City apresenta uma estrutura de design para controlar a propagação de ondas de ultrassom em metamateriais acústicos microscópicos. Um artigo sobre o trabalho, “ Tailored Ultrasound Propagation in Microscale Metamaterials via Inertia Design ,” foi publicado recentemente no periódico Science Advances.
“Nosso trabalho propõe uma estrutura de design baseada no posicionamento preciso de esferas em microescala para ajustar como as ondas de ultrassom viajam através de metamateriais em microescala 3D”, diz Portela. “Especificamente, investigamos como a colocação de massas esféricas microscópicas dentro de uma rede de metamaterial afeta a rapidez com que as ondas de ultrassom viajam, levando, em última análise, a respostas de orientação ou foco de onda.”
Por meio de caracterização ultrassônica a laser não destrutiva e de alto rendimento, a equipe demonstra experimentalmente velocidades de ondas elásticas ajustáveis em materiais em microescala. Eles usam as velocidades de onda variadas para ajustar espacial e temporalmente a propagação de ondas em materiais em microescala, demonstrando também um demultiplexador acústico (um dispositivo que separa um sinal acústico em vários sinais de saída). O trabalho abre caminho para dispositivos e componentes em microescala que podem ser úteis para imagens de ultrassom ou transmissão de informações por ultrassom.
“Usando mudanças geométricas simples, esta estrutura de design expande o espaço de propriedade dinâmica ajustável de metamateriais, permitindo o design e a fabricação simples de metamateriais e dispositivos acústicos em microescala”, diz Portela.
A pesquisa também avança capacidades experimentais, incluindo fabricação e caracterização, de metamateriais acústicos em microescala para aplicação em ultrassom médico e aplicações de computação mecânica, e ressalta a mecânica subjacente da propagação de ondas de ultrassom em metamateriais, ajustando propriedades dinâmicas por meio de mudanças geométricas simples e descrevendo essas mudanças como uma função de mudanças em massa e rigidez. Mais importante, a estrutura é passível de outras técnicas de fabricação além da microescala, exigindo apenas um único material constituinte e uma geometria 3D base para atingir propriedades amplamente ajustáveis.
“A beleza dessa estrutura é que ela vincula fundamentalmente propriedades físicas do material a características geométricas. Ao colocar massas esféricas em um andaime de treliça semelhante a uma mola, poderíamos criar analogias diretas sobre como a massa afeta a rigidez quase estática e a velocidade dinâmica da onda”, diz Sun, primeiro autor do estudo. “Percebi que poderíamos obter centenas de designs diferentes e propriedades de materiais correspondentes, independentemente de vibrarmos ou comprimirmos lentamente os materiais.”
Este trabalho foi realizado, em parte, através do uso das instalações do MIT.nano.
