С 2000-х годов международное научное сообщество стало свидетелем экспоненциального роста интереса к метаматериалам и их необычным свойствам. Метаматериал — это среда, в которой фазовая скорость световых или звуковых волн может быть отрицательной (говорят, что материал имеет отрицательный показатель преломления). В такой среде фаза волны (последовательные колебания) и энергия переносимые этой же волной, движутся в противоположных направлениях.
Этого свойства нет ни в одной естественной однородной среде.Для получения метаматериала необходимо создать неоднородную среду, содержащую большое количество включений (так называемых микрорезонаторов).
Обычный способ — использовать микромеханические методы (травление, осаждение и т. Д.) Для обработки твердых опор, которые будут иметь свойства метаматериалов в одном или двух измерениях. Однако этот метод не может использоваться для работы с мягким веществом в микрометрических масштабах, необходимых для ультразвука, и получаемые материалы остаются ограниченными одним или двумя измерениями.В этом исследовании ученые разработали новый тип метаматериала в жидкой фазе, состоящий из пористых силиконовых микрошариков, внедренных в гель на водной основе.
Эта метафлюид — первый трехмерный метаматериал, работающий на ультразвуковых частотах. Кроме того, из-за его жидкой природы его можно производить с использованием физико-химических процессов и микрофлюидических технологий, которые намного проще реализовать, чем микромеханические методы.Одно из свойств пористых сред состоит в том, что звук проходит через них с очень низкой скоростью (несколько десятков метров в секунду) по сравнению с водой (1500 метров в секунду).
Из-за этого резкого контраста вся суспензия имеет свойства метаматериала при достаточной концентрации шариков: когда исследователи изучали распространение ультразвуковых волн через эту среду, они непосредственно измерили отрицательный показатель преломления. Внутри такой метафлюида энергия, переносимая волной, проходит от излучателя к приемнику, как и ожидалось, тогда как колебания, кажется, движутся назад в противоположном направлении, как танцор, совершающий «лунную походку».Эти результаты открывают путь к многочисленным приложениям, от ультразвуковой визуализации высокого разрешения до звукоизоляции и скрытности в подводной акустике.
Кроме того, физико-химические методы мягкого вещества, используемые для создания этого метаматериала, позволяют производить жидкие или гибкие материалы с адаптируемыми формами, потенциально в промышленных масштабах.