High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

El sonido viaja a través del agua de una manera que es distinta a cómo se mueve a través de los sólidos. En un líquido como el agua, el material resiste ser comprimido pero ofrece casi ninguna resistencia a ser cizallado o deslizado lateralmente; fluye fácilmente. En un metal sólido, el material resiste ambos. Durante décadas, los científicos han intentado construir estructuras artificiales que imiten el comportamiento de los líquidos pero que estén hechas de materiales sólidos. Estas estructuras, conocidas como metamateriales, están diseñadas con patrones diminutos y repetitivos que les otorgan propiedades que no se encuentran en la naturaleza. El objetivo ha sido durante mucho tiempo crear un sólido que actúe exactamente como el agua cuando las ondas sonoras lo atraviesan: un material que sea lo suficientemente rígido para mantener su forma pero lo suficientemente blando para dejar que el sonido fluya a través de él como si fuera un líquido. Esto es particularmente importante para la tecnología submarina, donde el control del sonido es esencial para la comunicación y la navegación.

El desafío radica en una contradicción física. Para actuar como el agua, un material necesita ser muy difícil de comprimir (alto módulo de compresibilidad) pero muy fácil de deslizar (bajo módulo de cizalladura). La mayoría de los diseños sólidos existentes que intentan imitar al agua fallan porque son o demasiado blandos para ser útiles o demasiado rígidos para dejar pasar el sonido correctamente. A menudo se quedan cortos respecto a las propiedades acústicas del agua real por un margen significativo, lo que los convierte en malos sustitutos de la real. Los investigadores han trabajado en este problema durante años, intentando encontrar una forma geométrica para los diminutos bloques de construcción de estos materiales que pudiera resolver este equilibrio.

Un equipo de investigadores del Politecnico di Milano ha propuesto ahora una solución que describen como el primer metamaterial que merece plenamente el nombre de "agua metálica 3D". Han diseñado una estructura tridimensional hecha de metal que, en el régimen de baja frecuencia, se comporta acústicamente de una manera indistinguible de la del agua. La clave de su éxito fue comprender que las formas utilizadas anteriormente para construir estos materiales estaban fundamentalmente limitadas. Durante años, el diseño estándar se basó en enlaces con forma de dobles conos: dos conos unidos por sus extremos estrechos. Si bien estas formas funcionaban bien en modelos bidimensionales, los investigadores descubrieron que en tres dimensiones no podían lograr la rigidez necesaria sin volverse demasiado pesados o demasiado rígidos. Las puntas delgadas necesarias para hacer que el material fuera flexible también lo hacían demasiado débil para resistir la compresión, impidiendo que coincidiera con la densidad y la velocidad del sonido del agua.

Para superar esto, el equipo abandonó la forma de doble cono y buscó un tipo diferente de comportamiento mecánico: la forma en que funcionan las cuerdas. Propusieron un nuevo diseño donde los enlaces conectores en la estructura no son varillas sólidas individuales, sino haces de muchos filamentos finos y paralelos. En una cuerda, los filamentos individuales pueden deslizarse unos sobre otros cuando la cuerda se dobla, lo que hace que todo el haz sea muy flexible ante las fuerzas de flexión. Sin embargo, cuando la cuerda se estira, todos los filamentos trabajan juntos para resistir el tirón, lo que la hace muy fuerte. Al aplicar este principio a su red metálica, los investigadores crearon enlaces que son increíblemente rígidos contra la compresión pero casi completamente libres de deslizarse lateralmente. Esta combinación específica permite que el material mantenga la alta resistencia a la compresión necesaria para igualar al agua, manteniendo al mismo tiempo la resistencia al deslizamiento tan baja que el material se comporta como un fluido.

Los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para probar este nuevo diseño, confirmando que podía lograr un módulo de compresibilidad dos órdenes de magnitud superior a intentos previos, alcanzando finalmente el nivel del agua real en el régimen de baja frecuencia. También descubrieron que la estructura crea una brecha específica en cómo maneja ciertos tipos de vibraciones, bloqueando eficazmente las ondas de cizalladura mientras permite el paso de las ondas de presión. Esto significa que el sonido viaja a través de su estructura metálica tal como lo hace a través del agua, sin las distorsiones indeseadas que suelen ocurrir en los materiales sólidos. Si bien el diseño es actualmente un modelo teórico y una simulación por computadora, los resultados sugieren que es posible fabricar un sólido que actúe verdaderamente como un líquido. Este avance abre la puerta a la creación de dispositivos acústicos avanzados, como lentes o capas de invisibilidad, que pueden manipular las ondas sonoras en tres dimensiones con una precisión que antes era imposible.