Слой миллиметровых гранул может замедлить звуковые волны

18 декабря 2013 г., 18:43

В некоторых случаях плотноупакованный гранулированный материал, например песок, может вести себя так же, как кристалл, имитируя точное, упорядоченное расположение атомов. Теперь исследователи из МТИ расширили это сходство до нового предела, создав двумерные массивы микрозерен, которые могут направлять акустические волны подобно тому, как специально разработанные кристаллы могут управлять прохождением света или других волн.

Исследователи говорят, что результаты могут привести к новому способу управления частотами в электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, но с компонентами, размеры которых составляют только часть от используемых в настоящее время для тех же функций. В больших масштабах это может привести к новым типам средств защиты от взрывной волны при ведении боевых действий, для персонала, отвечающего за общественную безопасность, или для оборудования.

Изучение свойств сыпучих материалов – мелких гранул, таких как песок или крошечные стеклянные бусинки – стало «привлекательной и быстро развивающейся областью», как пишут исследователи. Но большинство таких исследований было сосредоточено на свойствах песка с размером частиц около миллиметра в поперечнике, отметил адъюнкт-профессор Николас Фан (Nicholas Fang). Новая работа является первой, в которой изучаются разные свойства частиц, размеры которых в тысячу раз меньше – всего один микрон в диаметре. Их свойства должны «качественно отличаться».

В своих экспериментах ученые использовали один слой микросфер, чтобы направлять и замедлять звуковые волны, которые распространяются по поверхности (известные как поверхностные акустические волны, или ПАВ). Исследователи использовали идеи, которые они ранее применяли в исследованиях по управлению световыми волнами в фотонных кристаллах.

ПАВ широко используются в электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, подобно часам, которые дают один частотный сигнал для синхронизации разных чипов или частей чипа. Использование новой системы позволит уменьшить размер компонентов, необходимых для обработки ПАВ. Современные генераторы ПАВ относительно громоздкие, но использование «двумерного» гранулированного материала для направления и замедления волн может уменьшить размеры таких устройств в шесть раз.

Более того, 2-D характер этой системы позволит изготовить ее прямо на чипе, наряду с необходимыми цепями управления и другими компонентами. Напротив, сегодняшние генераторы – это, как правило, отдельные устройства, размещаемые вместе с массивом чипов, которые ими управляют. Так что в тех случаях, когда важен размер, новая работа поможет сделать электронные устройства еще меньше.

Система потенциально может быть также использованы для разработки новых видов датчиков, таких как микровесы, способные измерять малейшие изменения в весе. Тот же принцип может также привести к новому типу материала для защиты от взрывных волн. Если акустические волны, такие как ударные волны от взрыва, попадают в двумерный материал под прямым углом, большая часть их энергии может быть преобразована в поверхностные волны, которые распространяются к боковым границам материала. Сэндвич из нескольких слоев такого материала может обеспечить надежные средства защиты от взрыва в легкой носимой форме, правда, по мнению проф. Фана, это, скорее всего, потребует значительных дальнейших исследований.

Слой миллиметровых гранул может замедлить звуковые волны