Ακουστικοί 'υπερφακοί' θα μπορούσαν να δώσουν καλύτερες απεικονίσεις με υπέρηχους

Πηγή: NewScientist,8 Ιανουαρίου 2008

Τα υλικά που ανακλούν τα κύματα του ήχου προς τα πίσω θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουν πολύ ασφαλείς και πιο καθαρές ιατρικές απεικονίσεις, λένε ερευνητές της Μεγάλης Βρετανίας.

Τα ακουστικά μεταϋλικά κατασκευάζονται από ένα δικτυωτό πλέγμα κενών σαν ντόνατς σε ένα φύλλο πυριτίου τα οποία διαιρούνται στη μέση με άκαμπτους ράβδους

Εδώ και λίγα χρόνια, οι επιστήμονες έμαθαν πως να δημιουργούν τα εξωτικά 'μεταϋλικά' που ελέγχουν το φως καθώς και άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με εκπληκτικούς τρόπους. Αυτά τα υλικά έχουν οδηγήσει σε εξελίξεις, όπως οι επενδύτες μη ορατότητας και υπερφακούς, που μπορούν να παραβούν τους κανόνες που περιορίζουν την ισχύ των κανονικών φακών.

Μια νέα μελέτη αποδεικνύει ότι το ίδιο συμβαίνει και για τα ηχητικά κύματα, ενώ προβλέπει ένα μηχανολογικό σχέδιο για την κατασκευή του κατάλληλου υλικού που θα χρησιμοποιηθεί. Οι συσκευές που θα είναι βασισμένες σε τέτοια ακουστικά μεταϋλικά θα μπορούσαν να παραγάγουν εξαιρετικά καθαρές ιατρικές απεικονίσεις, περισσότερο λεπτομερείς σεισμικούς χάρτες, και ακόμη και τα κτήρια ανθεκτικά σε σεισμός.

Οι ιδιότητες των μεταϋλικών προέρχονται από τη δομή τους κι όχι στη σύνθεσή τους. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Sιbastien Guenneau, μαθηματικό στο πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ, σχεδίασε έναν μεταϋλικό για τα ηχητικά κύματα και μοντελοποίησε τη λειτουργία του.

Το μεταϋλικό αυτό φτιάχνεται από ένα δικτυωτό πλέγμα κενών σαν ντόνατς σε ένα φύλλο πυριτίου. Κάθε ντόνατ διαιρείται στα δύο με άκαμπτους ράβδους που συνδέονται με μία νήσο στη μέση (πάνω δεξιά στην εικόνα).

Αρνητική διάθλαση

Χρησιμοποιώντας νευτώνεια μηχανική, οι ερευνητές έδειξαν ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ κατάλληλου μεγέθους και χωρισμάτων κενών και ράβδων θα παρήγαγε έναν αρνητικό δείκτη διάθλασης για ιδιαίτερα ηχητικά κύματα. Και το κυριότερο, θα έκαμπτε τα κύματα προς την αντίθετη κατεύθυνση με ένα κανονικό υλικό.

"Δείχνουμε ότι χρησιμοποιώντας εφικτά υλικά που φτιάχνονται με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο μπορούμε να πετύχουμε την αρνητική διάθλαση," λέει ο Guenneau.

Μια πιθανή εφαρμογή για το υλικό αυτό είναι να χρησιμοποιηθεί ένα επίπεδο φύλλο σαν ένας "υπεφακός" για να παραγάγει εικόνες υψηλότερης ανάλυσης από τις υπάρχουσες συσκευές υπερήχου.

Οι συμβατικοί φακοί δεν μπορούν να εστιάσουν σε τίποτα μικρότερο από το, κατά προσέγγιση, μισό μήκος κύματος της ακτινοβολίας ή του ήχου που χρησιμοποιούν. Κι αυτό συμβαίνει επειδή αυτοί δεν μπορούν να εστιάσουν τα ασθενώς σκεδασμένα κύματα που απαιτούνται για να "δουν" τα πραγματικά μικρά λεπτομερή χαρακτηριστικά.

Χάρις στις περίεργες διαθλαστικές ιδιότητές τους, εν τούτοις, οι υπερφακοί από μεταϋλικό μπορούν να δουν μικρές λεπτομέρειες - έτσι οι ακουστικοί υπερφακοί που σχεδιάστηκαν από τον Guennea θα μπορούσαν να εστιάσουν σε λεπτομέρειες που είναι αόρατες με το σημερινό εξοπλισμό.

Τέτοιοι υπερφακοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες κλίμακες. "Μπορείτε να φτιάξετε ένα υπερφακό για να δείτε ένα έμβρυο," λέει ο Guenneau, "ή κάτι υπόγεια". Η απεικόνιση υπόγειων χαρακτηριστικών απαιτούν ήχο μεγάλου μήκους κύματος που δίνει συνεπώς φτωχή ανάλυση, όμως οι ακουστικοί υπερφακοί θα μπορούσαν να βοηθήσουν για μια καλύτερη ανάλυση.

Σεισμική προστασία

Η ομάδα του Guenneau επίσης έδειξε ότι ένα δίκτυο σκακιέρες με κομμένα δαχτυλίδια μπορεί να σταματήσει τη διάβαση ηχητικών κυμάτων. Αυτό το σχέδιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να μετριάσει το θόρυβο ή τις δονήσεις σε ένα ευρύ φάσμα μεγεθών, από μικροσκοπικά ηλεκτρονικά ή μηχανικά μέρη έως τα μεγάλα κτήρια, που προστατεύονται από τα κύματα του σεισμού χρησιμοποιώντας στήλες με μεταϋλικά, τα οποία ενσωματώνονται μέσα στα κτήρια.

Αν και η εργασία αυτή είναι μέχρι τώρα μαθηματική, η ομάδα είναι βέβαιη ότι μπορούν να κατασκευαστούν τα ακουστικά μεταϋλικά. Το μοντέλο είναι βασισμένο στις γνωστές ιδιότητες του πυριτίου και τα κενά σε σχήμα δακτυλίου με ιδιότητες παρόμοιες με τους νανοσωλήνες από άνθρακα.

Η Chiara Daraio που μελετά τα μη γραμμικά ακουστικά μεταϋλικά στο Caltech, συμφωνεί ότι η ομάδα του Guenneau έχει βρει ένα σχέδιο για ένα νέο και χρήσιμο μεταϋλικό. "Έχουν μια πολύ νέα προσέγγιση για τέλειους φακούς στην ακουστική," λέει.

"Από μια πειραματική προοπτική, φαίνεται προκλητικό αλλά εφικτό. Μου άνοιξε την όρεξη να κάνω ένα πείραμα αύριο, " προσθέτει η Daraio.

Περιοδικό αναφοράς: New Journal of Physics