High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

ينتقل الصوت عبر الماء بطريقة تختلف عن كيفية انتقاله عبر المواد الصلبة. ففي سائل مثل الماء، تقاوم المادة الانضغاط لكنها لا تبدي أي مقاومة تُذكر للقص أو الانزلاق الجانبي؛ فهي تتدفق بسهولة. أما في المعدن الصلب، فالمادة تقاوم كليهما. لعقود من الزمن، حاول العلماء بناء هياكل اصطناعية تحاكي سلوك السوائل ولكنها مصنوعة من مواد صلبة. هذه الهياكل، المعروفة باسم المواد الخارقة (metamaterials)، مُهندسة بأنماط متكررة دقيقة تمنحها خصائص غير موجودة في الطبيعة. وكان الهدف طويلاً هو ابتكار مادة صلبة تعمل تماماً مثل الماء عندما تمر عبرها الموجات الصوتية؛ أي مادة صلبة بما يكفي للحفاظ على شكلها، ومرنة بما يكفي لتسمح للصوت بالتدفق من خلالها كما لو كانت سائلاً. وهذا أمر مهم بشكل خاص لتقنيات تحت الماء، حيث يعد التحكم في الصوت أمراً ضرورياً للاتصالات والملاحة.

يكمن التحدي في تناقض فيزيائي. لكي تعمل المادة مثل الماء، يجب أن تكون صعبة الضغط للغاية (معامل حجم مرتفع) ولكن سهلة الانزلاق للغاية (معامل قص منخفض). وتفشل معظم التصاميم الصلبة الموجودة التي تحاول محاكاة الماء لأنها إما لينة جداً بحيث لا تكون مفيدة، أو صلبة جداً بحيث لا تسمح بمرور الصوت بشكل صحيح. وغالباً ما تعجز هذه التصاميم عن بلوغ الخصائص الصوتية للماء الحقيقي بفارق كبير، مما يجعلها بدائل سيئة للأصل. لقد عمل الباحثون على حل هذه المشكلة لسنوات، محاولين إيجاد شكل هندسي للقطع البنائية الصغيرة لهذه المواد يمكنه حل هذا التوازن.

وقد اقترح فريق من الباحثين في جامعة "بوليتكنيكو دي ميلانو" الآن حلاً وصفوه بأنه أول مادة خارقة تستحق حقاً تسمية "معدن الماء ثلاثي الأبعاد". فقد صمموا هيكلاً ثلاثي الأبعاد مصنوعاً من المعدن، يتصرف صوتياً في نطاق التردد المنخفض بطريقة لا يمكن تمييزها عن الماء. وكان مفتاح نجاحهم هو إدراكهم أن الأشكال التي استُخدمت سابقاً لبناء هذه المواد كانت محدودة جوهرياً. فلعقود، اعتمد التصميم القياسي على وصلات تتخذ شكل مخاريط مزدوجة — مخروطان متصلان عند طرفيهما الضيقين. وبينما نجحت هذه الأشكال جيداً في النماذج ثنائية الأبعاد، وجد الباحثون أنها في الأبعاد الثلاثية لا يمكنها تحقيق الصلابة اللازمة دون أن تصبح ثقيلة جداً أو شديدة الجمود. فالأطراف الرفيعة المطلوبة لجعل المادة مرنة جعلتها أيضاً ضعيفة جداً لمقاومة الانضغاط، مما منعها من مطابقة كثافة وسرعة صوت الماء.

وللتغلب على ذلك، تخلى الفريق عن شكل المخروط المزدوج وتطلع إلى نوع مختلف من السلوك الميكانيكي: الطريقة التي تعمل بها الحبال. فقد اقترحوا تصميماً جديداً حيث لا تكون الوصلات الرابطة في الهيكل مجرد قضبان صلبة واحدة، بل حزم من العديد من الألياف المتوازية الرفيعة. في الحبل، يمكن للألياف الفردية أن تنزلق بجانب بعضها البعض عندما ينثني الحبل، مما يجعل الحزمة بأكملها مرنة جداً تجاه قوى الانثناء. ومع ذلك، عندما يُشد الحبل بشكل مستقيم، تعمل جميع الألياف معاً لمقاومة الشد، مما يجعله قوياً جداً. ومن خلال تطبيق هذا المبدأ على الشبكة المعدنية، أنشأ الباحثون وصلات صلبة للغاية ضد الانضغاط، ولكنها حرة تماماً تقريباً في الانزلاق الجانبي. هذا المزيج المحدد يسمح للمادة بالحفاظ على المقاومة العالية للانضغاط المطلوبة لمطابقة الماء، مع إبقاء المقاومة للانزلاق منخفضة جداً لدرجة تجعل المادة تتصرف كسائل.

استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لاختبار هذا التصميم الجديد، مؤكدين أنه يمكنه تحقيق معامل حجم أعلى بمقدار رتبتين من التصميمات السابقة، ليصل أخيراً إلى مستوى الماء الحقيقي في نطاق التردد المنخفض. كما وجدوا أن الهيكل يخلق فجوة محددة في كيفية تعامله مع أنواع معينة من الاهتزازات، مما يؤدي فعلياً إلى حجب موجات القص مع السماح بمرور موجات الضغط. وهذا يعني أن الصوت ينتقل عبر هيكلهم المعدني تماماً كما يفعل في الماء، دون التشوهات غير المرغوب فيها التي تحدث عادة في المواد الصلبة. وبينما يعد التصميم حالياً نموذجاً نظرياً ومحاكاة حاسوبية، فإن النتائج تشير إلى أنه من الممكن تصنيع مادة صلبة تعمل حقاً كسائل. ويفتح هذا الاختراق الباب أمام إنشاء أجهزة صوتية متقدمة، مثل العدسات أو الأجهزة التي تحجب الصوت (cloaks)، والتي يمكنها التحكم في الموجات الصوتية في ثلاثة أبعاد بدقة كان من المستحيل تحقيقها سابقاً.