High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

Il suono si propaga attraverso l'acqua in modo distinto rispetto a come si muove attraverso i solidi. In un liquido come l'acqua, il materiale resiste alla compressione ma offre quasi nessuna resistenza allo scorrimento o allo scivolamento laterale; esso fluisce facilmente. In un metallo solido, il materiale resiste a entrambi. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di costruire strutture artificiali che imitino il comportamento dei liquidi ma siano realizzate con materiali solidi. Queste strutture, note come metamateriali, sono progettate con minuscoli schemi ripetitivi che conferiscono loro proprietà non presenti in natura. L'obiettivo è stato a lungo quello di creare un solido che agisca esattamente come l'acqua quando le onde sonore lo attraversano: un materiale che sia abbastanza rigido da mantenere la propria forma, ma abbastanza morbido da lasciare che il suono vi fluisca attraverso come se fosse un liquido. Ciò è particolarmente importante per la tecnologia subacquea, dove il controllo del suono è essenziale per la comunicazione e la navigazione.

La sfida risiede in una contraddizione fisica. Per agire come l'acqua, un materiale deve essere molto difficile da comprimere (alto modulo di compressibilità) ma molto facile da far scorrere (basso modulo di taglio). La maggior parte dei design solidi esistenti che tentano di imitare l'acqua fallisce perché sono o troppo teneri per essere utili o troppo rigidi per lasciare che il suono passi correttamente. Spesso non raggiungono le proprietà acustiche dell'acqua reale con un margine significativo, rendendoli scarsi sostituti del vero elemento. I ricercatori lavorano a questo problema da anni, cercando una forma geometrica per i minuscoli blocchi costruttivi di questi materiali che possa risolvere questo equilibrio.

Un team di ricercatori del Politecnico di Milano ha ora proposto una soluzione che descrive come il primo metamateriale che meriti pienamente il nome di "acqua metallica 3D". Hanno progettato una struttura tridimensionale fatta di metallo che, nel regime delle basse frequenze, si comporta acusticamente in un modo indistinguibile dall'acqua. La chiave del loro successo è stata comprendere che le forme utilizzate in precedenza per costruire questi materiali erano fondamentalmente limitate. Per anni, il design standard si è basato su collegamenti a forma di doppio cono — due coni uniti alle loro estremità strette. Sebbene queste forme funzionassero bene nei modelli bidimensionali, i ricercatori hanno scoperto che in tre dimensioni non era possibile ottenere la necessaria rigidità senza diventare troppo pesanti o troppo rigidi. Le punte sottili necessarie per rendere il materiale flessibile lo rendevano anche troppo debole per resistere alla compressione, impedendo di eguagliare la densità e la velocità del suono dell'acqua.

Per superare questo ostacolo, il team ha abbandonato la forma a doppio cono e ha cercato un tipo diverso di comportamento meccanico: il modo in cui funzionano le corde. Hanno proposto un nuovo design in cui i collegamenti che compongono la struttura non sono singoli bastoncini solidi, ma fasci di molti filamenti sottili e paralleli. In una corda, i singoli filamenti possono scorrere l'uno rispetto all'altro quando la corda viene piegata, il che rende l'intero fascio molto flessibile alle forze di flessione. Tuttavia, quando la corda viene tirata in linea retta, tutti i filamenti lavorano insieme per resistere alla trazione, rendendola molto forte. Applicando questo principio al loro reticolo metallico, i ricercatori hanno creato collegamenti che sono incredibilmente rigidi contro la compressione ma quasi completamente liberi di scorrere lateralmente. Questa specifica combinazione permette al materiale di mantenere l'alta resistenza alla compressione necessaria per eguagliare l'acqua, mantenendo al contempo la resistenza allo scorrimento così bassa che il materiale si comporta come un fluido.

I ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per testare questo nuovo design, confermando che può raggiungere un modulo di compressibilità di due ordini di grandezza superiore rispetto ai tentativi precedenti, raggiungendo finalmente il livello dell'acqua reale nel regime delle basse frequenze. Hanno anche scoperto che la struttura crea un divario specifico nel modo in cui gestisce certi tipi di vibrazioni, bloccando efficacementamente le onde di taglio mentre permette il passaggio delle onde di pressione. Ciò significa che il suono viaggia attraverso la loro struttura metallica proprio come avviene nell'acqua, senza le distorsioni indesiderate che solitamente si verificano nei materiali solidi. Sebbene il design sia attualmente un modello teorico e una simulazione al computer, i risultati suggeriscono che è possibile fabbricare un solido che agisca veramente come un liquido. Questa scoperta apre la porta alla creazione di dispositivi acustici avanzati, come lenti o mantelli, in grado di manipolare le onde sonore in tre dimensioni con una precisione che prima era impossibile.