Seit mehr als zehn Jahren untersucht Guoliang Huang, Inhaber des Huber and Helen Croft-Lehrstuhls für Ingenieurwissenschaften an der University of Missouri, die unkonventionellen Eigenschaften von „Metamaterialien“ – einem künstlichen Material, das Eigenschaften aufweist, die in der Natur normalerweise nicht vorkommen, wie sie von Newton definiert werden Bewegungsgesetze – in seinem langfristigen Streben nach der Gestaltung eines idealen Metamaterials.
Huangs Ziel ist es, dabei zu helfen, die „elastischen“ Energiewellen zu kontrollieren, die sich durch größere Strukturen – etwa ein Flugzeug – bewegen, ohne Licht und kleine „Metastrukturen“.
„Seit vielen Jahren arbeite ich an der Herausforderung, wie man mathematische Mechanik zur Lösung technischer Probleme nutzen kann“, sagte Huang. „Herkömmliche Methoden haben viele Einschränkungen, einschließlich Größe und Gewicht. Deshalb habe ich untersucht, wie wir eine alternative Lösung finden können, indem wir ein leichtes Material verwenden, das klein ist, aber dennoch die niederfrequenten Vibrationen kontrollieren kann, die von einer größeren Struktur, wie einem Flugzeug, ausgehen.“ .“
Jetzt ist Huang seinem Ziel einen Schritt näher gekommen. In einer neuen Studie veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) haben Huang und Kollegen einen Prototyp eines Metamaterials entwickelt, das elektrische Signale nutzt, um sowohl die Richtung als auch die Intensität von Energiewellen zu steuern, die durch ein festes Material laufen.
Zu den möglichen Anwendungen seines innovativen Designs gehören militärische und kommerzielle Zwecke, etwa die Steuerung von Radarwellen, indem man sie anweist, einen bestimmten Bereich nach Objekten abzusuchen, oder die Bewältigung von Vibrationen, die durch Luftturbulenzen eines fliegenden Flugzeugs entstehen.
„Dieses Metamaterial hat eine seltsame Massendichte“, sagte Huang. „Kraft und Beschleunigung gehen also nicht in die gleiche Richtung, was uns eine unkonventionelle Möglichkeit bietet, das Design der strukturellen Dynamik oder Eigenschaften eines Objekts anzupassen, um das zweite Newtonsche Gesetz in Frage zu stellen.“
Dies sei die erste physikalische Erkenntnis einer ungeraden Massendichte, sagte Huang.
„Zum Beispiel könnte dieses Metamaterial nützlich sein, um den Zustand ziviler Bauwerke wie Brücken und Pipelines als aktive Wandler zu überwachen, indem es dazu beiträgt, potenzielle Schäden zu erkennen, die mit dem menschlichen Auge möglicherweise schwer zu erkennen sind.“
„Aktive Metamaterialien zur Realisierung ungerader Massendichten“ wurde in der veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS). Weitere MU-Mitwirkende sind Qian Wu, Xianchen Xu, Honghua Qian, Shaoyun Wang, Zheng Yan und Hongbin Ma. Die Forschung wurde durch Zuschüsse des Air Force Office of Scientific Research und des Army Research Office finanziert.
