3D列印製造——磁場可控聲學超材料

磁場遠程式控制聲材料

FIRST

導讀

近日，由南加州大學的Qiming Wang、麻省理工學院Nichkolas Fang教授和密蘇里大學的Guoliang Huang教授組成的研究小組利用微納3D列印技術，發明了一種可以實現遠程控制的聲學超材料（圖1a,b）。藉助磁場的遠程遙控，該超材料可以選擇性「阻擋」聲波和振動的傳播，從而實現聲音的遠程開啟或關閉。

3D列印製造的磁場可控聲學超材料

圖1： a) 3D列印製造的磁場可控聲學超材料

b)高分子鏈與鐵磁納米顆粒的混合物

Second

背景

一般來說，無論通過哪種途徑製備材料，材料的結構往往是固定的，結構所對應的性質也隨之確定。為了打破這一局限，研究人員大膽使用3D列印技術，為聲學材料設計了特殊的晶格結構，並將鐵磁顆粒有機地融入，通過施加外部磁場使結構發生變化，成功實現了磁場對結構的精密調控。這種結構的變化將有效地調控聲學超材料的「聲子能帶」，從而決定是否「阻擋」特定頻率的聲波以及機械振動，達到遠程遙控聲波或振動的功能。該控制過程可逆且可重複，無論在軍事還是在生活中都具有十分重要的應用前景，例如雜訊消除、振動控制和聲波隱形等。

Third

技術

研究表明，當聲學超材料僅具有等效負模量或負密度性質之一時，便能夠起到阻礙特定頻率聲波和振動的作用；而當負模量和負密度同時存在時，這些特定頻率的聲波和振動又能夠再次透過。基於這一基本理論，該研究小組把鐵磁顆粒和高分子的混合物作為3D列印的材料，利用立體光固化3D列印技術製備出一種八面體桁架結構。結構內部的鐵磁顆粒在外界磁場的作用下，將使整個桁架發生軸向壓縮。當壓縮量達到臨界值時，就會發生屈曲現象，從而改變整個結構的幾何構型以及等效彈性力學參數（圖2a）。因此，整個結構可以實現從「雙正模量」（聲波可以通過）到「一正一負模量」（特定頻率聲波不可通過，即聲阻）直至「雙負模量」（聲波可以通過）的連續可調轉變（圖2b）.

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圖2：（I-VI) 連續增大的磁場下的形態變化

（VII）移除磁場後超材料的形態

圖3： 時間、磁場強度下的結構形態

圖4：磁場改變導致模量E正負值的改變，與負密度結合可實現雙正到一正一負再到雙負的改變，該過程可逆。

圖5

a,b)不同磁場強度下，晶格應力、模量與?d的關係

c)0.23T和0.35T下，超材料位移振幅與聲波頻率的關係

d)比較超材料在不同聲波頻率、不同磁場強度下的聲學透過率

e)不同磁場強度下超材料在2000HZ和3800HZ中的聲學透過率

Four

總結

研究小組表示，同其他超材料相比，這種磁場遠程遙控的聲學超材料在聲波傳輸、折射、成像、聚焦方面有著十分廣闊的應用前景，自由開啟和關閉聲音的能力為工程師提供了對聲音和振動的靈活控制，其快速、可逆、可重複的遠程調控又可繼續開闢一系列潛在的應用。該篇文章以「Magnetoactive Acoustic Metamaterials"為題發表在Advanced Materials。

原論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201706348

作者：費翔

排版：Jane周

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