Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 25 – vyšlo 28. června, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

25/2019

Tichý svět

Petr Kulhánek

MetamateriályMetamateriál – umělá struktura, která se v přírodě nevyskytuje a vykazuje atypické elektrické, magnetické a akustické vlastnosti, například permitivitu, permeabilitu, index lomu, akustickou propustnost a další. Vlastnosti metamateriálů bývají zpravidla silně závislé na frekvenci, takže výhodné vlastnosti pro určité technologie existují jen v úzkém pásmu frekvencí. jsou člověkem vyrobené struktury, které mají zcela nevídané vlastnosti. Nejprve se objevily pravidelně se opakující prvky, které umožňovaly dosáhnout atypické permitivityPermitivita – lineární koeficient úměrnosti mezi elektrickou indukcí a intenzitou. V izotropním a homogenním materiálu jde o jediné číslo, v komplikovanějších materiálech o tenzor (matici) koeficientů. a permeabilityPermeabilita – lineární koeficient úměrnosti mezi magnetickou indukcí a intenzitou. V izotropním a homogenním materiálu jde o jediné číslo, v komplikovanějších materiálech o tenzor (matici) koeficientů., včetně záporného indexu lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.. Čočka vyrobená z takového materiálu měla tvar rovinné destičky (tzv. Veselagova čočkaVeselagova čočka – planparalelní destička se záporným indexem lomu, zobrazuje bod na bod. Teoreticky se jako první zabýval hypotetickým prostředím se záporným indexem lomu Victor Veselago v roce 1968.). Metamateriály byly také schopné odklánět elektromagnetické vlny a učinit tak některé předměty neviditelnými. Jedinou vadou na kráse byl omezený frekvenční obor, v němž měly metamateriály požadované vlastnosti. Z počátku šlo jen o rádiové vlny s vlnovou délkou srovnatelnou s rozměry prvků struktury. Se zatajeným dechem jsme sledovali, jak rozvíjející se nanotechnologieNanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů. umožňovaly konstrukci metamateriálů se stále menšími a menšími strukturami, takže nakonec metamateriály prolomily hranici optického oboru. Neviditelné pláště z pohádek se staly skutečností. V Aldebaran bulletinu jsme se pravidelně věnovali pokrokům v tomto oboru (viz AB 2006/16, 2007/13, 2009/20, 2010/29, 2012/27). V posledním desetiletí se ale začaly prosazovat také metamateriály měnící vlastnosti zvuku. Jde o struktury, které dokáží soustředit zvuk do vhodného místa, zesílit zvuk, ale také ho zeslabit. Stejně jako u svých elektromagnetických protějšků jsou akustické metamateriály silně frekvenčně závislé. V roce 2019 oznámila čtyřčlenná skupina vědců z Bostonské univerzity, že se jí podařilo zkonstruovat neuvěřitelnou součástku, kterou může sice procházet vzduch, ale zvukové vlny jsou z valné většiny vráceny zpět do směru zdroje. Pojďme se s tímto převratným vynálezem seznámit blíže.

Metamateriálový kroužek připravený v Bostonské univerzitě. Kroužkem
prochází vzduch, zvuk je ale zastaven. Zdroj: Bostonská univerzita.

Metamateriál – umělá struktura, která se v přírodě nevyskytuje a vykazuje atypické elektrické, magnetické a akustické vlastnosti, například permitivitu, permeabilitu, index lomu, akustickou propustnost a další. Vlastnosti metamateriálů bývají zpravidla silně závislé na frekvenci, takže výhodné vlastnosti pro určité technologie existují jen v úzkém pásmu frekvencí. Interference – skládání vln z několika zdrojů. V daném místě se sčítají amplitudy vln. Jsou-li v protifázi, dojde k zeslabení výsledné vlny (destruktivní interferenci). Jsou-li ve fázi, dojde k zesílení výsledné vlny (konstruktivní interferenci). V detekčním přístroji se detekuje intenzita vlny, která je úměrná druhé mocnině amplitudy. Počítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů.

Bostonský kroužek

Na inženýrské koleji Bostonské univerzity je laboratoř, v níž kraluje profesorka Xin Zhang. Desítky let zde úspěšně připravuje atypické metamateriály nebývalých vlastností. Současně také pracuje ve Fotonickém centru téže univerzity. Pod jejím vedením zde prožívá svá doktorská studia íránský fyzik Reza Ghaffarivardavagh. Pro jeho složitě znějící příjmení mu nikdo neřekne jinak než Reza. Dalšími spoluautory provedené studie jsou Jacob Nikolajczyk z téže laboratoře a Stephan Anderson, který je z radiologického oddělení medicínského kampusu Bostonské univerzity. Nový metamateriál vznikl v rámci Rezyho doktorské práce. Byl navržen pomocí matematického modelu a numerických simulací. Samotné simulace vedoucí na finální podobu součástky prováděl tým několik měsíců. Výledkem byl prstýnek, v němž je šest šroubovicových kanálů, kterými prochází zvuk. V součástce dochází k rezonančnímu rozptylu a destruktivní interferenciInterference – skládání vln z několika zdrojů. V daném místě se sčítají amplitudy vln. Jsou-li v protifázi, dojde k zeslabení výsledné vlny (destruktivní interferenci). Jsou-li ve fázi, dojde k zesílení výsledné vlny (konstruktivní interferenci). V detekčním přístroji se detekuje intenzita vlny, která je úměrná druhé mocnině amplitudy. – procházející zvukové vlny jsou vyrušeny a jediný směr, kam se šíří, míří ve směru jejich zdroje. Od návrhu součástky k její realizaci byla ale ještě dlouhá cesta. Nakonec se týmu profesorky Zhang podařilo součástku vytisknout z plastu na 3D tiskárně. Při testech umístili reproduktor na jeden konec tubusu a vytvořenou součástku na druhý konec tubusu. Pokud byla součástka přítomna, zvuk nebyl téměř slyšet. Jakmile součástku z tubusu vyndali, zvuk se vynořil v plné síle. Následovala řada měření a testů vytvořeného akustického prvku.

Nahoře: Model součástky získaný z numerické simulace. Vnitřní průměr je 10,4 cm, vnější průměr 14 cm a úhel stoupání šroubovice 8,2°. Dole: Graf propustnosti zvuku metamateriálem získaný jak z matematického modelu, tak z prováděných pokusů. Dobře je patrné, že pokusná součástka je silně frekvenčně závislá. Zdroj: Bostonská univerzita, Physical Review.

Význam součástky

Žijeme ve světě plném nejrůznějších škodlivých zvuků. Hlučný život velkoměsta bývá občas nesnesitelný. Dosavadní hlukové stěny jsou robustní, neprodyšné a jejich účinnost není příliš veliká. Jsou zařízení, která zvukově dosud izolovat nedokážeme. Kolem tryskového motoru není možné udělat zvukotěsný obal a proti létajícím dronům nepomůže sebesložitější síť protihlukových bariér. Hlučící klimatizaci na pracovišti nemůžete obalit zvukovou izolací, z podstaty její činnosti plyne, že by jí měl procházet vzduch. Z nově navržené metamateriálové součástky bude možné vytvářet větší celky, jimiž prochází vzduch, ale zvuk je silně utlumen. Testovaný kroužek je z 60 % otevřená struktura, kterou může snadno procházet vzduch, ale 94 % zvukových vln neprochází. A že z kroužků se bude těžko stavět protihluková stěna? Šlo jen o testy. Pomocí numerických simulací bude možné navrhnout obdobné součástky jiných tvarů, například šestiúhelníkové nebo malé průchozí krychličky. A z těchto útvarů nebude už obtížné postavit protihlukové bariéry, které budou lehké, průhledné a vzdušné. Vzhledem k extrémní frekvenční závislosti bude asi nutné skládat více druhů takových součástek dohromady, aby se utlumila širší část spektra slyšitelných zvuků.

Záběry z prvního testu metamateriálového protihlukového kroužku.
Zdroj: Bostonská univerzita.

Představte si letící dron, pod jehož vrtulemi je právě vyvinutý metamateriál. Ten nebude bránit průchodu vzduchu, ale veškerý hluk vrtule a motorů pošle vzhůru. Dole na zemi nebude dron slyšet. Pokud bude ještě miniaturizovaný na velikost kolibříka (viz AB 2019/20) a potažený metamateriálem, který ho učiní neviditelným ve vizuálním oboru elektromagnetického spektra, půjde o dokonalý nástroj pro špióny všeho druhu. Nebudete mít totiž šanci si všimnout, že vás někdo šmíruje. Ale existuje i další využití: odhlučnění motorů nejrůznějšího druhu, například v továrních halách nebo pod kapotami automobilů, snížení hluku z městské dopravy, v koncertních síních a hluku z venkovních koncertů. Určitě se hodí bezhlučná klimatizace nebo přístroj pro magnetickou rezonanci, který nevyluzuje tak děsivé zvuky, jako ty současné. Jednou se v posluchárnách jaderné fakulty ČVUT třeba v parném létě dočkáme i otevřených oken a pronikavé zvuky trubek ze sousední konzervatoře vrátíme zpět jejich autorům.

Tým profesorky Xin Zhang (je v pozadí). Vepředu je její doktorský student Reza Ghaffarivardavagh, nalevo je Stephan Anderson a napravo Jacob Nikolajczyk. A cože to slovutní vědci dělají? Co největší kravál všemi dostupnými prostředky! Reza v popředí se může usmívat. Kroužky z metamateriálu ho spolehlivě ochrání před řáděním kolegů. Zdroj: Bostonská univerzita, foto: Cydney Scott.

Odkazy