研究人员一直在通过精心设计精确的结构来推动材料的能力，这些结构具有可控制声波或光波的异常特性。然而，这些超材料以固定的几何形状构造，这意味着它们的独特能力总是固定的。现在，由南加州大学研究人员领导的团队开发的新型三维印刷超材料可以在主动控制和被动状态之间进行远程切换。
USC Viterbi工程学院助理教授王启明和博士。学生Kun-Hao Yu和麻省理工学院教授Nicholas Fang以及密苏里大学黄国良教授一起开发了能够阻挡声波和机械振动的三维印刷超材料。与当前的超材料不同，这些可以使用磁场远程打开或关闭。它们的材料可用于噪声消除，振动控制和声音隐形，可用于隐藏声波中的物体。
“当你制作一个结构时，几何体不能改变，这意味着属性是固定的。这里的想法是，我们可以设计一些非常灵活的东西，以便你可以使用外部控制来改变它，”民间助理教授王说。和环境工程。
超材料可以用于操纵诸如雷达，声音和光的波浪现象，并且已经被用于开发诸如隐形装置和改进的通信系统的技术。该团队的超材料能够控制具有类似波形的环境声音和结构振动。通过3-D印刷包含晶格结构中的铁颗粒的可变形材料，可以使用磁场压缩它们的超材料。
“你可以施加外部磁力来改变结构并改变其中的结构和几何形状。一旦你改变了架构，你就改变了属性，”王说。“我们希望实现这种在状态之间切换的自由。利用磁场，开关是可逆的，非常迅速。”
磁场压缩材料，但与金属板之类的物理接触力不同，材料不受约束。因此，当声波或机械波接触材料时，它会扰乱它，产生阻止声波和某些频率的机械振动通过的独特性质。
该机制依赖于其超材料的异常性质 - 负模量和负密度。在日常材料中，这些都是积极的。
“具有负模量或负密度的材料可以通过局部共振捕获结构内的声音或振动，使得它们不能通过它传递，”Yu说。
通常情况下，当你按下一个物体时，它会向你推动。相比之下，具有负模数的物体会吸引你，在你推动时将它拉向它们。表现出负密度的物体以类似的矛盾方式工作。当你将这些物体推离你时，它们会向你移动。
一个负特性，无论是负模数还是负密度，都可以独立工作，以阻止噪声并在某些频率范围内停止振动。但是，在一起工作时，噪音或振动会再次通过。该团队能够通过切换磁场来保持对超材料的多功能控制，在双正(声音通过)，单负(声音阻挡)和双负(声音通过)之间切换。
“这是研究人员第一次使用远程刺激证明这三个阶段之间的可逆切换，”王说。
未来发展方向
王认为他们可能能够展示另一种称为负折射的独特属性，其中波穿过材料并以不自然的角度返回，据王说，这是“反物理学”。他们计划在能够制造更大的结构后进一步研究这种现象。
“我们希望缩小或扩大我们的制造系统，”王说。“这将使我们有更多机会在更大范围的波长上工作。”
使用他们当前的系统，他们只能使用光束直径在1微米到1毫米之间的3D打印材料。但规模很重要。较小的波束将控制较高频率的波，而较大的波束将影响较低频率的波。
“确实有很多可能用于智能控制声学和振动的应用，”Yu说。“传统的工程材料可能只能屏蔽声学和振动，但很少有人可以在打开和关闭之间切换。”