High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

Geluid plant zich door water voort op een andere manier dan door vaste stoffen. In een vloeistof zoals water biedt het materiaal weerstand tegen het samendrukken, maar biedt het bijna geen weerstand tegen het afschuiven of zijdelings glijden; het stroomt gemakkelijk. In een vast metaal biedt het materiaal beide. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd kunstmatige structuren te bouwen die het gedrag van vloeistoffen nabootsen, maar gemaakt zijn van vaste materialen. Deze structuren, bekend als metamaterialen, worden ontworpen met minuscule, herhalende patronen die hen eigenschappen geven die niet in de natuur voorkomen. Het doel is al lang om een vaste stof te creëren die zich precies als water gedraagt wanneer geluidsgolven erdoorheen gaan—een materiaal dat stijf genoeg is om zijn vorm te behouden, maar zacht genoeg om geluid door te laten alsof het een vloeistof is. Dit is bijzonder belangrijk voor onderwatertechnologie, waar het beheersen van geluid essentieel is voor communicatie en navigatie.

De uitdaging ligt in een fysieke tegenstrijdigheid. Om als water te functioneren, moet een materiaal zeer moeilijk samen te drukken zijn (hoge bulkmodulus), maar zeer gemakkelijk te laten glijden (lage afschuifmodulus). De meeste bestaande vaste ontwerpen die proberen water na te bootsen, falen omdat ze ofwel te zacht zijn om bruikbaar te zijn, ofwel te stijf om geluid correct door te laten. Ze schieten vaak aanzienlijk tekort bij de akoestische eigenschappen van echt water, waardoor ze slechte vervangers zijn voor het echte werk. Onderzoekers werken al jaren aan dit probleem door te zoeken naar een geometrische vorm voor de minuscule bouwstenen van deze materialen die dit evenwicht zou kunnen oplossen.

Een team onderzoekers van de Politecnico di Milano heeft nu een oplossing voorgesteld die zij beschrijven als het eerste metamateriaal dat de naam "3D metaal water" volledig verdient. Ze hebben een driedimensionale structuur ontworpen van metaal die, in het laagfrequente regime, zich akoestisch gedraagt op een manier die niet te onderscheiden is van water. De sleutel tot hun succes was het besef dat de vormen die voorheen werden gebruikt om deze materialen te bouwen, fundamenteel beperkt waren. Jarenlang vertrouwde het standaardontwerp op verbindingen in de vorm van dubbele kegels—twee kegels die aan hun smalle punten aan elkaar zijn verbonden. Hoewel deze vormen goed werkten in tweedimensionale modellen, ontdekten de onderzoekers dat ze in drie dimensies niet de benodigde stijfheid konden bereiken zonder te zwaar of te rigide te worden. De dunne punten die nodig waren om het materiaal flexibel te maken, maakten het ook te zwak om compressie te weerstaan, waardoor het niet in staat was de dichtheid en geluidssnelheid van water te evenaren.

Om dit te overwinnen, liet het team de dubbele kegelvorm varen en keek naar een ander soort mechanisch gedrag: de manier waarop touwen werken. Ze stelden een nieuw ontwerp voor waarbij de verbindende schakels in de structuur geen enkele massieve staaf zijn, maar bundels van vele dunne, parallelle vezels. In een touw kunnen de individuele vezels langs elkaar glijden wanneer het touw wordt gebogen, wat de hele bundel zeer flexibel maakt bij buigkrachten. Echter, wanneer het touw recht wordt getrokken, werken alle vezels samen om de trek weer te staan, waardoor het zeer sterk wordt. Door dit principe toe te passen op hun metalen rooster, creëerden de onderzoekers verbindingen die ongelooflijk stijf zijn tegen compressie, maar bijna volledig vrij zijn om zijdelings te glijden. Deze specifieke combinatie stelt het materiaal in staat om de hoge weerstand tegen compressie te behouden die nodig is om water te evenaren, terwijl de weerstand tegen het glijden zo laag blijft dat het materiaal zich als een vloeistof gedraagt.

De onderzoekers gebruikten computersimulaties om dit nieuwe ontwerp te testen, waarmee ze bevestigden dat het een bulkmodulus kon bereiken die twee grootheden hoger is dan eerdere pogingen, waardoor het eindelijk het niveau van echt water bereikte in het laagfrequente regime. Ze ontdekten ook dat de structuur een specifieke kloof creëert in hoe het bepaalde soorten trillingen afhandelt, waardoor het afschuifgolven effectief blokkeert terwijl het drukgolven doorlaat. Dit betekent dat geluid door hun metalen structuur reist zoals het door water reist, zonder de ongewenste vervormingen die gewoonlijk in vaste materialen optreden. Hoewel het ontwerp momenteel een theoretisch model en een computersimulatie is, suggereren de resultaten dat het mogelijk is om een vaste stof te vervaardigen die werkelijk als een vloeistof fungeert. Deze doorbraak opent de deur naar geavanceerde akoestische apparaten, zoals lenzen of mantels, die geluidsgolven in drie dimensies kunnen manipuleren met een precisie die voorheen onmogelijk was.