Universiteit Leiden

nl en

Slim ontwerp draagt geluid in één richting

Een nieuwe computersimulatie toont de veelbelovende mogelijkheden van het opbloeiende veld topologie. Slim ontworpen mechanische structuren dragen geluid exclusief in één richting en zijn resistent tegen fabricagefouten. Publicatie op 17 juli In Nature Physics.

Stel je voor dat je een splinternieuwe headset uitpakt, en plots ontdekt dat een van de oortjes een beetje beschadigd is. Je staat in het volste recht om het terug te sturen—je headset zal immers nooit meer zo goed als nieuw zijn. Toch is het in de toekomst, met behulp van fundamentele fysica, wellicht mogelijk om producten te fabriceren die geluid perfect geleiden, zelfs als er fabrieksfoutjes in zitten. De onderzoeksgroep van Leids natuurkundige Vincenzo Vitelli simuleert materialen die geluid alleen geleiden aan hun oppervlak en slechts in één richting, terwijl het resistent is tegen schade.

Actieve vloeistof

Postdoc Anton Souslov laat een afbeelding zien uit zijn simulatie (figuur), met een structuur van ringen die een zogenoemde actieve vloeistof bevatten—een vloeistof bestaande uit zelf voortbewegende deeltjes zoals bacteriën of rollende colloïden. Het systeem is op zo’n manier ontworpen dat er tweemaal zoveel ringen zijn waarin de actieve vloeistof met de klok mee draait (rood) in plaats van andersom (blauw). Dit geeft de vloeistof een netto beweging met de klok mee, wat een bijzonder effect blijkt te hebben op de voortplanting van geluid.

Onaantastbaar

Als je een luidspreker naast een van de zijden plaatst, zal het geluid niet zomaar doordringen tot de hele structuur. Het plant zich alleen voort langs de randen, en alleen met de klok mee. En enige schade, zoals de deuk in de rechterzijde, heeft totaal geen invloed op het geluid. ‘Dit concept kan handig zijn bij het ontwerpen van echografie-apparatuur die resistent is tegen fabricagefouten,’ zegt Souslov. ‘Of apparaten voor niet-invasieve chirurgie, waarbij je tumoren behandelt met high-intensity ultrasound. Andere toepassingen kunnen geluiddichte muren zijn of zelfs glasvezel, omdat het principe net zo goed werkt voor lichtgolven.’

Publicatie

Anton Souslov, Benjamin C. van Zuiden, Denis Bartolo and Vincenzo Vitelli, ‘Topological sound in active-liquid metamaterials’, Nature Physics

Liefhebbers van natuurkunde herkennen misschien de analogie met topologische isolatoren, die aan de binnenkant isoleren maar aan het oppervlak elektriciteit geleiden. Het Leidse ontwerp doet hetzelfde voor geluid, en vindt ook zijn oorsprong in het raakvlak tussen natuurkunde en topologie—een opbloeiend veld dat onderwerp was van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2016. Topologische structuren blijven onaangetast onder rekking of buiging. Alleen extreme vervormingen zoals scheuren of lijmen veranderen hun eigenschappen.