新发现“超材料”具有固有的强大声音传输特性！

位于纽约城市大学研究生中心的高级科学研究中心(ASRC)和纽约城市学院(CCNY)研究人员已经开发出一种超材料，这种材料可以以异常强健的方式沿着边缘传输声音，并将其定位在角落。根据2018年12月31日发表在《自然材料》(Nature Materials)上的一篇新论文，这种新设计材料创造了一种稳健的声学结构，即使在制造缺陷存在的情况下，这种结构也能以不同寻常的方式控制声音的传播和定位。这种独特特性可能会改进使用声波的技术，例如sonars和超声波设备，使它们更能抵抗缺陷。这项研究是由亚历山大·卡尼卡夫(Alexander Khanikaev)和安德里亚·阿鲁(Andrea Alu)的实验室合作完成。

博科园-科学科普：卡尼卡夫是CCNY电气工程和物理系的教授，也是ASRC的成员，他们的进展是基于将拓扑数学领域引入材料科学领域的研究。拓扑学研究不受连续变形影响的物体性质。例如一个甜甜圈在拓扑上相当于一根塑料吸管，因为它们都有一个洞。一个可以通过拉伸和变形物体而被塑造成另一个，而不需要撕裂它或增加新的孔。利用拓扑学原理，研究人员预测并发现了拓扑学绝缘体：一种特殊的材料，它只在边缘传导电流，而不是在体积上。它们不同寻常的导电性能源于它们的电子带隙拓扑结构，因此它们对无序、噪声或缺陷等连续变化具有不同寻常的抵抗力。将这些想法从电流扩展到其他类型的信号传输，特别是拓扑光子学和拓扑声学领域，已经引起了很多人的兴趣。

变形孔戈米晶格中体积极化跃迁的概念及测量。图片：Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0252-9

研究人员正在做的是建造一种特殊的声学材料，这种材料可以以非常不寻常的方式引导和定位声音。为了设计这种新型的声学超材料，研究小组3D打印了一系列小三聚体，排列并连接在一个三角形网格中。每个三聚体单元由三个声学谐振器组成。三聚体的旋转对称性和晶格的广义手性对称性，赋予了结构独特的声学特性，这些特性来源于它们的声带隙拓扑结构。谐振腔的声模混合，形成了整个物体的声带结构。结果当声音以带隙外的频率播放时，它可以通过大部分材料传播。但当声音以带隙内的频率播放时，它只能沿着三角形的边缘传播或定位在三角形的角上，这种性能不受无序或制造错误的影响。可以完全移除一个角，剩下的部分就会形成晶格的新角，由于这些性质的稳健性，它仍然会以类似的方式运作。

为了打破这些特性，研究人员必须减少材料的对称性，例如改变谐振腔单元之间的耦合，从而改变带结构的拓扑结构，从而改变材料的特性。研究人员Khanikaev说：我们是第一个建立拓扑超材料的声音支持不同形式的拓扑定位，沿其边缘和角落，还展示了基于3D打印声学元件的先进制造技术，可以在一个简单灵活的平台上实现任意复杂的几何形状，为声学材料领域带来颠覆性的机遇。近年来正在研究基于这些技术的更复杂的三维超材料设计，这将进一步扩展声学材料的性能和声学器件的能力。从根本上说，有可能实现比我们过去所习惯的更为强大的新型声音传输方式。这些发现可能会在超声波成像、水下声学和声纳技术中得到应用。

博科园-科学科普｜研究/来自：纽约市立大学高级科学研究中心

参考期刊文献:《Nature Materials》

论文DOI: 10.1038/s41563-018-0252-9

博科园-传递宇宙科学之美