High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

Schall bewegt sich in Wasser auf eine andere Weise als in Festkörpern. In einer Flüssigkeit wie Wasser leistet das Material Widerstand gegen das Zusammendrücken, bietet aber fast keinen Widerstand gegen Scherung oder seitliches Gleiten; es fließt leicht. In einem festen Metall leistet das Material gegen beides Widerstand. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, künstliche Strukturen zu bauen, die das Verhalten von Flüssigkeiten nachahmen, aber aus festen Materialien bestehen. Diese Strukturen, bekannt als Metamaterialien, werden mit winzigen, sich wiederholenden Mustern konstruiert, die ihnen Eigenschaften verleihen, die in der Natur nicht vorkommen. Das Ziel war lange Zeit, einen Feststoff zu erschaffen, der sich exakt wie Wasser verhält, wenn Schallwellen durch ihn hindurchgehen – ein Material, das steif genug ist, um seine Form zu halten, aber weich genug, um den Schall so durchfließen zu lassen, als wäre es eine Flüssigkeit. Dies ist besonders wichtig für die Unterwassertechnologie, bei der die Kontrolle von Schall entscheidend für Kommunikation und Navigation ist.

Die Herausforderung liegt in einem physikalischen Widerspruch. Um wie Wasser zu wirken, muss ein Material sehr schwer komprimierbar (hoher Kompressionsmodul) aber sehr leicht gleitfähig (niedriger Schermodul) sein. Die meisten existierenden Festkörperdesigns, die versuchen, Wasser nachzuahmen, scheitern, weil sie entweder zu weich für den praktischen Einsatz oder zu steif, um den Schall korrekt passieren zu lassen. Sie bleiben oft deutlich hinter den akustischen Eigenschaften von echtem Wasser zurück, was sie zu schlechten Ersatzstoffen für das Original macht. Forscher haben jahrelang an diesem Problem gearbeitet und versucht, eine geometrische Form für die winzigen Bausteine dieser Materialien zu finden, die dieses Gleichgewicht lösen könnte.

Ein Forschungsteam des Politecnico di Milano hat nun eine Lösung vorgeschlagen, die sie als das erste Metamaterial beschreibt, das den Namen „3D-Metallwasser“ voll und ganz verdient. Sie haben eine dreidimensionale Struktur aus Metall entworfen, die sich im niederfrequenten Bereich akustisch in einer Weise verhält, die nicht von Wasser zu unterscheiden ist. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg lag in der Erkenntnis, dass die bisher verwendeten Formen zum Bau dieser Materialien grundlegend begrenzt waren. Jahrelang basierte das Standarddesign auf Verbindungen, die in Form von Doppelkegeln gestaltet waren – zwei Kegel, die an ihren schmalen Spitzen zusammengeführt sind. Während diese Formen in zweidimensionalen Modellen gut funktionierten, stellten die Forscher fest, dass sie in drei Dimensionen nicht die notwendige Steifigkeit erreichen konnten, ohne zu schwer oder zu starr zu werden. Die dünnen Spitzen, die erforderlich waren, um das Material flexibel zu machen, machten es auch zu schwach, um dem Druck standzuhalten, was verhinderte, dass es die Dichte und Schallgeschwindigkeit von Wasser erreichte.

Um dies zu überwinden, gab das Team die Doppelkegel-Form auf und orientierte sich an einer anderen Art mechanischen Verhaltens: der Art und Weise, wie Seile funktionieren. Sie schlugen ein neues Design vor, bei dem die Verbindungselemente der Struktur nicht aus einzelnen massiven Stäben bestehen, sondern aus Bündeln vieler dünner, paralleler Fasern. In einem Seil können die einzelnen Fasern aneinander vorbeigleiten, wenn das Seil gebogen wird, was das gesamte Bündel sehr flexibel gegenüber Biegekräften macht. Wenn das Seil jedoch gerade gezogen wird, arbeiten alle Fasern zusammen, um dem Zug zu widerstehen, wodurch es sehr stark wird. Durch die Anwendung dieses Prinzips auf ihr Metallgitter schufen die Forscher Verbindungen, die unglaublich steif gegen Kompression sind, aber fast völlig frei sind, seitlich zu gleiten. Diese spezifische Kombination ermöglicht es dem Material, den hohen Widerstand gegen Kompression aufrechtzuerhalten, der nötig ist, um Wasser zu entsprechen, während es gleichzeitig den Widerstand gegen das Gleiten so gering hält, dass sich das Material wie eine Flüssigkeit verhält.

Die Forscher nutzten Computersimulationen, um dieses neue Design zu testen, und bestätigten, dass es einen Kompressionsmodul erreichen kann, der zwei Größenordnungen höher ist als bei bisherigen Versuchen, und damit im niederfrequenten Bereich endlich das Niveau von echtem Wasser erreicht. Sie fanden auch heraus, dass die Struktur eine spezifische Lücke in der Handhabung bestimmter Arten von Vibrationen erzeugt, wodurch Scherwellen effektiv blockiert werden, während Druckwellen passieren dürfen. Das bedeutet, dass der Schall durch ihre Metallstruktur genau so reist wie durch Wasser, ohne die üblichen Verzerrungen, die normalerweise bei Feststoffen auftreten. Obwohl das Design derzeit ein theoretisches Modell und eine Computersimulation ist, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass es möglich ist, einen Feststoff zu fertigen, der wahrhaft wie eine Flüssigkeit agiert. Dieser Durchbruch öffnet die Tür zur Entwicklung fortschrittlicher akustischer Geräte, wie etwa Linsen oder Tarnkappen, die Schallwellen in drei Dimensionen mit einer Präzision manipulieren können, die zuvor unmöglich war.