位于紐約城市大學(xué)研究生中心的高級(jí)科學(xué)研究中心（ASRC）和紐約城市學(xué)院（CCNY）研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種超材料，這種材料可以以異常強(qiáng)健的方式沿著邊緣傳輸聲音，并將其定位在角落。根據(jù)2018年12月31日發(fā)表在《自然材料》（Nature Materials）上的一篇新論文，這種新設(shè)計(jì)材料創(chuàng)造了一種穩(wěn)健的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，即使在制造缺陷存在的情況下，這種結(jié)構(gòu)也能以不同尋常的方式控制聲音的傳播和定位。這種獨(dú)特特性可能會(huì)改進(jìn)使用聲波的技術(shù)，例如sonars和超聲波設(shè)備，使它們更能抵抗缺陷。這項(xiàng)研究是由亞歷山大·卡尼卡夫（Alexander Khanikaev）和安德里亞·阿魯（Andrea Alu）的實(shí)驗(yàn)室合作完成。

    卡尼卡夫是CCNY電氣工程和物理系的教授，也是ASRC的成員，他們的進(jìn)展是基于將拓?fù)鋽?shù)學(xué)領(lǐng)域引入材料科學(xué)領(lǐng)域的研究。拓?fù)鋵W(xué)研究不受連續(xù)變形影響的物體性質(zhì)。例如一個(gè)甜甜圈在拓?fù)渖舷喈?dāng)于一根塑料吸管，因?yàn)樗鼈兌加幸粋€(gè)洞。一個(gè)可以通過(guò)拉伸和變形物體而被塑造成另一個(gè)，而不需要撕裂它或增加新的孔。利用拓?fù)鋵W(xué)原理，研究人員預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)了拓?fù)鋵W(xué)絕緣體：一種特殊的材料，它只在邊緣傳導(dǎo)電流，而不是在體積上。它們不同尋常的導(dǎo)電性能源于它們的電子帶隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此它們對(duì)無(wú)序、噪聲或缺陷等連續(xù)變化具有不同尋常的抵抗力。將這些想法從電流擴(kuò)展到其他類型的信號(hào)傳輸，特別是拓?fù)涔庾訉W(xué)和拓?fù)渎晫W(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)引起了很多人的興趣。

    變形孔戈米晶格中體積極化躍遷的概念及測(cè)量。圖片：Nature Materials （2018）。 DOI: 10.1038/s41563-018-0252-9

    研究人員正在做的是建造一種特殊的聲學(xué)材料，這種材料可以以非常不尋常的方式引導(dǎo)和定位聲音。為了設(shè)計(jì)這種新型的聲學(xué)超材料，研究小組3D打印了一系列小三聚體，排列并連接在一個(gè)三角形網(wǎng)格中。每個(gè)三聚體單元由三個(gè)聲學(xué)諧振器組成。三聚體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和晶格的廣義手性對(duì)稱性，賦予了結(jié)構(gòu)獨(dú)特的聲學(xué)特性，這些特性來(lái)源于它們的聲帶隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。諧振腔的聲模混合，形成了整個(gè)物體的聲帶結(jié)構(gòu)。結(jié)果當(dāng)聲音以帶隙外的頻率播放時(shí)，它可以通過(guò)大部分材料傳播。但當(dāng)聲音以帶隙內(nèi)的頻率播放時(shí)，它只能沿著三角形的邊緣傳播或定位在三角形的角上，這種性能不受無(wú)序或制造錯(cuò)誤的影響。可以完全移除一個(gè)角，剩下的部分就會(huì)形成晶格的新角，由于這些性質(zhì)的穩(wěn)健性，它仍然會(huì)以類似的方式運(yùn)作。

    為了打破這些特性，研究人員必須減少材料的對(duì)稱性，例如改變諧振腔單元之間的耦合，從而改變帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而改變材料的特性。研究人員Khanikaev說(shuō)：我們是第一個(gè)建立拓?fù)涑牧系穆曇糁С植煌问降耐負(fù)涠ㄎ唬仄溥吘壓徒锹洌€展示了基于3D打印聲學(xué)元件的先進(jìn)制造技術(shù)，可以在一個(gè)簡(jiǎn)單靈活的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的幾何形狀，為聲學(xué)材料領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的機(jī)遇。近年來(lái)正在研究基于這些技術(shù)的更復(fù)雜的三維超材料設(shè)計(jì)，這將進(jìn)一步擴(kuò)展聲學(xué)材料的性能和聲學(xué)器件的能力。從根本上說(shuō)，有可能實(shí)現(xiàn)比我們過(guò)去所習(xí)慣的更為強(qiáng)大的新型聲音傳輸方式。這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)在超聲波成像、水下聲學(xué)和聲納技術(shù)中得到應(yīng)用。

    博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自：紐約市立大學(xué)高級(jí)科學(xué)研究中心參考期刊文獻(xiàn)：《Nature Materials》論文DOI: 10.1038/s41563-018-0252-9博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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