幫助人類隱身的超材料據說也會克制地震

文：英國科學作家Tim Wogan

譯：淼助

減弱地震波：超材料防護系統可以減少地震傷害嗎？

歐洲科學家最新研究表明，大規模使用可以減弱地震波的超材料防護系統，能讓未來城市在破壞性地震中受到保護。該研究小組使用三維模型來展示防護系統的潛能，它是由挖入地面的空腔陣列組成的。

地震也許是所有自然災害中最具災難性的：它的死亡人數在災害相關的死亡人數中佔一半以上，如果地震發生在大的人口中心，還有可能造成數十億英鎊的財產損失。雖然大型建築物和其他基礎設施建設在設計建造時可以考慮抗震能力，但這往往對大地震不太有效，並且實施災後重建也很困難，特別是對於一些歷史性的建築而言。

抑制地震波

替代性的方法，是在地震波到達高風險、建築物較多的地方之前減弱地震波。這種方法的優點在於它可以直接被用來保護多個現有的建築結構，而不需要對建築物進行抗震加固。這可以通過使用以多種非常規方法操控地震波的超材料來實現。

比如之前有個研究，探討超材料斗篷的潛能，據說可以用來轉移建築物周圍的地震能量。

人們想像中的超材料隱形斗篷

但是在最新的研究中，該研究論文的作者，來自於法國Le Havre大學Marco·Miniaci，和同事探索創造帶隙的潛能——利用局域共振的聲子晶體超材料在一定的頻率範圍內抑制地震波的傳播。探索這種方法不同於以往的研究，他們使用了三維模型，把地下和地面的地震波以及在層狀土壤中的耗散效應都計算在內了。

不同的形狀

在他們的工作中，超材料的結構是由兩到三排空腔或地上孔洞組成，有不同的形狀和不同的填充物，放置在建築物周圍的方形陣列的防護體系中。該小組測試了三種不同類型空腔的有效性：一個十字形的空腔，一個中空的鋼（也可以用混凝土作內襯）的圓柱體，還有一個有橡膠塗層的鋼製圓柱體。

「確切的規格取決於土壤類型和防護體系的防護頻率範圍，」 Miniaci解釋說，並做了補充：「沙質土壤條件和低頻地震應激條件下，空腔應內襯混凝土，以防止周圍土體垮塌，它的寬度、間距和深度可以達到10米。

採用三腔型防護體系可以顯著有效地衰減地下波和表面波——而十字型腔可以有效地減弱破壞性的地表震波。研究人員還建議，除了地震工程，他們陣列尺度的縮小版本，可以用來屏蔽其他形式的高頻振動。比如有一種應用是可以在高鐵線周圍減弱振動；另外也可以創造改進爆炸保護。

強相互作用

沒有參加這項研究的土耳其?n?nü大學物理學家Bari? Baykant Alag?z說：「這一結果發展了被動的地震防護技術，前景看好」。西班牙瓦倫西亞Politécnica 大學的物理學家FranciscoMeseguer，也同意此觀點。他也未參與此項研究，但他提醒說，不能以為減弱地震波的策略重點就只是在地表的地震波，要注意，「在由力學性能不同的材料組成的非均勻土壤里，體波和表面波在傳播和蔓延時有強烈的相互作用，就像密度和體積常數一樣。」

Meseguer也評論認為，防護體系的確在保護有一定共振響應的單體建築上是有用的，但地震運動的波長範圍比他們研究的聲子帶隙大得多。

Miniaci說，他們的初步研究已經完成，而發展地震防護概念的下一步研究，應該是加入地震與振動實驗室的比例模型實驗數據。

本文已取得轉載編譯授權。

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淼叔系今日頭條簽約作者

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