Capa de micro esferas puede frenar ondas de sonido

Potencial para hacer dispositivos más pequeños y de crear un nuevo tipo de sensores.

Fotografía de un arreglo de microesferas de dos dimensiones adheridas a un substrato (crédito: Tian Gan)

Fotografía de un arreglo de microesferas de dos dimensiones adheridas a un substrato (crédito: Tian Gan)

 

Investigadores del MIT han creado arreglos de microgranos de dos dimensiones que pueden conducir ondas acústicas, de manera muy parecida a como cristales de distinto tipo pueden controlar el paso de la luz y otro tipo de ondas.

El material granular se comporta de manera muy similar a un cristal, con sus granos simulando el orden preciso de átomos cristalinos.

Los investigadores indican que su descubrimiento podría conducir a una nueva forma de controlar las frecuencias en dispositivos electrónicos, por ejemplo, teléfonos celulares, pero el tamaño de los componentes sería sólo una fracción del tamaño actual. En una escala mayor, podría conducir a nuevos tipos de material de blindaje, utilizado en combate o en equipos de seguridad.

Un artículo sobre esta investigación aparece en la revista Physical Review Letters, escrito por Nicholas Fang.

La investigación en las propiedades de materiales granulares –colección de pequeños granos, como arena o pequeñísimas cuentas de cristal– se ha convertido en “un campo rico y en rápido desarrollo” escribieron los investigadores. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones se han centrado en las propiedades de las partículas del tamaño de arena, algunos milímetros de grueso, indicó Fang. El nuevo estudio es el primero en analizar las muy distintas propiedades de partículas que son una milésima del tamaño mencionado, un micrón de ancho, cuyas propiedades se esperaban fueran “cualitativamente distintas”.

En sus experimentos, el equipo utilizó una capa individual de microesferas para guiar y hacer más lentas ondas de sonido (conocido como ondas acústicas de superficie, o SAWs) viajando a través de la superficie. Los investigadores utilizaron ideas que habían ya aplicado en estudios previos de control de ondas de luz y que involucraba el uso de cristales fotónicos.

Los SAWs son ampliamente utilizados en dispositivos como celulares, dijo Fang, “como relojes que dan una señal de una sola frecuencia… para sincronizar distintos chips o distintas partes de un chip”. Pero, con el nuevo sistema, “podemos reducir el tamaño del dispositivo” requerido para el procesamiento de SAWs, dijo. Los osciladores de uso actual para SAW son relativamente voluminosos, pero el uso de material granular 2D para guiar y hacer más lentas las ondas podría permitir que esos dispositivos fueran de un sexto su tamaño actual.

Dispositivos más pequeños, nuevos tipos de sensores

Lo que es más, la naturaleza 2D del sistema podría permitir que sea fabricado directamente en un chip, conjuntamente con los circuitos de control y otros componentes. Los osciladores actuales, en contraste, son típicamente piezas separadas colocadas muy cerca del arreglo del chip que los controla –en casos donde el tamaño reducido es importante, el nuevo estudio tiene el potencial de hacer aún más pequeños los dispositivos electrónicos.

El sistema podría también ser utilizado para el desarrollo de nuevos tipos de sensores, tales como microbalanzas capaces de medir pequeños cambios en el peso, dijo Fang.

El mismo principio podría ser utilizado para material de protección, sugiere Fang. Si ondas acústicas  –tales como ondas acústicas intensas provenientes de una explosión– golpean el material de dos dimensiones en un ángulo correcto, mucha de su energía podría ser convertida en ondas de superficie que viajan hacia afuera del material. Un emparedado de muchas capas de este material podría proporcional una protección substancial de forma usable y ligera, aunque esta aplicación aún requiere un esfuerzo de investigación futuro, indicó Fang.

John Page, profesor de física y astronomía de la Universidad de Manitoba, dice que es “una pieza de investigación de muy alta calidad… Estoy seguro que su descubrimiento será ampliamente aceptado”.

La investigación fue financiada por la Agencia de Defensa para Reducción de Amenazas y la Fundación Nacional de Ciencia.

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