High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

音は、固体の中を移動する際とは異なる方法で水の中を伝わります。水のような液体では、物質は押しつぶされることには抵抗しますが、せん断（横方向に滑る動き）に対してはほとんど抵抗を示さず、容易に流れます。一方、金属のような固体では、物質はその両方に抵抗します。数十年にわたり、科学者たちは液体の挙動を模倣した、固体材料で作られた人工構造物を構築しようと試みてきました。メタマテリアルとして知られるこれらの構造物は、自然界には存在しない特性を与えるために、微細で繰り返されるパターンを用いて設計されています。その目標は、音波が通過する際に、まるで水のように音を通すことができる、硬 enough で形状を維持しつつも、音の流れに対しては十分に柔らかい固体を作り出すことでした。これは、通信や航行において音の制御が不可に欠である水中技術において、特に重要です。

課題は、物理的な矛盾にあります。水のように振る舞うためには、物質は圧縮に対して非常に硬く（高い体積弾性率）、かつ滑りに対して非常に容易である（低いせん断弾性率）必要があります。水を模倣しようとする既存の固体の設計の多くは、実用的な強度がないほど柔らかすぎるか、あるいは音が正しく通過させるには硬すぎるかのどちらかであるため、失敗しています。それらはしばしば、実際の水の音響特性から大きく乖離しており、本物の代用品としては不十分なものとなっています。研究者たちは、これらの材料の微細な構成要素として、このバランスを解決できる幾何学的な形状を見つけ出そうと、長年この問題に取り組んできました。

ミラノ工科大学の研究チームは、今回、「3Dメタル・ウォーター（3D金属水）」という名称に真に値する最初のメタマテリアルであると彼らが表現する解決策を提案しました。彼らは、低周波数領域において、音響的に水と区別がつかない挙動を示す金属製の三次元構造を設計しました。成功の鍵は、これまでこれらの材料を構築するために使用されてきた形状が、根本的に限界を持っていたと気づいたことにありました。長年、標準的な設計は、2つの円錐がその狭い先端部分で結合された「ダブルコーン」型の形状をした連結部に依存してきました。これらの形状は二次元モデルではうまく機能しましたが、研究者たちは、三次元においては、素材を重すぎたり硬すぎたりすることなく必要な剛性を実現することはできないことを発見しました。素材を柔軟にするために必要な細い先端部分は、圧縮に対する抵抗力を弱めてしまい、水の密度や音速に一致させることを妨げてしまったのです。

これを克服するために、チームはダブルコーンの形状を放棄し、別の種類の機械的挙動、すなわち「ロープ」の仕組みに着目しました。彼らは、構造内の連結部が単一の固体の棒ではなく、多数の細い平行な繊維の束であるという新しい設計を提案しました。ロープにおいて、個々の繊維はロープが曲げられたときに互いに滑り合うことができ、これにより束全体が曲げの力に対して非常に柔軟になります。しかし、ロープが真っ直ぐに引かれるときには、すべての繊維が協力して引っ張りに抵抗するため、非常に強くなります。この原理を金属格子に応用することで、研究者たちは、圧縮に対しては驚異的に硬いが、横方向への滑りに対してはほぼ完全に自由である連結部を作り出しました。この特定の組み合わせにより、素材は水に一致させるために必要な高い圧縮抵抗を維持しながら、滑りに対する抵抗を極めて低く保ち、液体のように振る舞うことが可能になります。

研究者たちはコンピュータシミュレーションを用いてこの新設計のテストを行い、これが従来の試みの2桁も高い体積弾性率を達成し、ついに低周波数領域において実際の水のレベルに到達できることを確認しました。また、この構造が特定の種類の振動の扱いにおいて特定のギャップを生み出し、せん断波を効果的にブロックしながら圧力波を通過させることも発見しました。これは、彼らの金属構造の中を、水の中と同じように音が伝わり、通常固体で起こるような望ましくない歪みが発生しないことを意味します。この設計は現在は理論モデルおよびコンピュータシミュレーションの段階ですが、その結果は、真に液体のように行動する固体を製造することが可能であることを示唆しています。この画期的な成果は、以前は不可能であった精度で音波を三次元的に操作できる、レンズやクローキング（隠蔽）装置のような高度な音響デバイスへの扉を開くものです。