فراماده‌ی جدیدی که توانایی ایجاد تغییر در امواج صوتی را دارد

پژوهشگران دانشگاه ایالتی کالیفرنیا و دانشگاه دوک فراماده‌ای ساخته‌اند که می‌تواند امواج صوتی را دستکاری کند و در پی این کار باعث دریافت رزولوشن بهتر در تصویربرداری صوتی تا بیش از دوبرابر کیفیت رزولوشن اولیه شود. همچنین امکان متمرکز کردن امواج و کنترل زاویه‌های گذر امواج از میان فراماده وجود دارد. تصویربرداری صوتی روشی است که در پزشکی برای عیب‌شناسی و در آزمایش‌های عیب‌یابی ساختاری در زمینه‌ی هواپیماسازی‌، پل‌سازی و ... به کار می‌رود. یون ژینگ (Yun Jing) استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و پژوهشگر این طرح در این رابطه می‌گوید:

این فراماده پیش از این هم از نظر تئوری شناخته‌شده بود؛ ولی هیچ‌کس در باره‌ی ساخت آن در واقعیت اقدامی انجام نداده بود.

اگر بخواهیم تعریف ساده‌ای از فراماده ارائه دهیم باید بگوییم فراماده‌ها موادی هستند که رویشان تغییر مهندسی اعمال شده است تا ویژگی‌هایی از خود نشان دهند که در طبیعت یافت نمی‌شود. در مورد این پژوهش، طراحی ساختاری فراماده این ویژگی را به آن می‌دهد که بتواند یک فراماده‌ی هذلولوی باشد؛ یعنی می‌تواند با دو موج صوتی در جهت‌های ناهمسان برهم‌کنش داشته باشد. فراماده از یک سمت چگالی زیادی نشان داده و با امواج صوتی به صورت نرمال برهم‌کنش می‌کند (همانند هوا). اما از طرف عمودی این فراماده بر حسب نوع برهم‌کنشی که با صوت‌ها دارد چگالی منفی از خود نشان می‌دهد؛ یعنی این امر به طور کارامدی باعث خمیدگی و انحراف امواج صوتی در زاویه‌های می‌شود که این زاویه‌ها دقیقا مخالف آن چیزی است که در فیزیک پایه انتظار روی دادنش را دارید. کارکرد عملی این فراماده در این است که کاربردهای فراوانی می‌تواند داشته باشد.

اگر بخواهیم یک مثال بزنیم می‌توانیم به این اشاره کنیم که از فراماده می‌توان برای بهبود فرایند تصویربرداری صوتی بهره برد. پیش‌تر از این و به صورت متداول در فرایند تصویربرداری صوتی امکان دستیابی به تصاویری با رزولوشن کمتر از نصف طول موج صوت به کار برده شده فراهم نبود. مثلا یک موج صوتی ۱۰۰ کیلوهرتزی که از هوا عبور می‌کرد و دارای طول موج ۳.۴ میلی‌متر بود، در دستاوردهای تصویربرداری صوتی نمی‌توانست رزولوشنی بهتر از ۱.۷ میلی‌متر ارائه دهد. چن شن دانشجوی دکترای دانشگاه کالیفرنیا در این زمینه می‌گوید:

فراماده‌ی ما میزان این دسترسی را بهبود می‌دهد. با جاگذاری این ماده میان دستگاه تصویربرداری و سوژه‌ی هدف، ما خواهیم توانست تا رزولوشن تصویربرداری صوتی را تا بیش از دو برابر افزایش دهیم و آن را از یک‌دوم مقدار طول موج به یک‌پنجم آن  بهبود دهیم.

این فراماده می‌تواند امواج صوتی را به صورت کانونی متمرکز کند که این امر آن را به ابزار انعطاف‌پذیری تبدیل می‌کند. ژینگ می‌گوید:

پرسنل پزشکی و مهندس‌های سازه گاهی اوقات برای عیب‌یابی پزشکی و یا عیب‌یابی ساختارهای مهندسی نیاز دارند که امواج صوتی را در یک کانون خاص متمرکز کنند. فراماده‌ای که ما ساختیم توانایی انجام این کار را دارد و علاوه بر آن می‌توان برای بهبود رزولوشن تصاویر به دست آمده هم کارساز باشد. امروزه مواد بسیار اندکی یافت می‌شوند که بتوانند این دو کار را با هم انجام دهند.

این ماده در آزمایش‌های اخیر امکان بیشتری را جهت کنترل زاویه‌ی مکانی که امواج از آن عبور می‌کنند برای پژوهشگران فراهم کرده است. شن در این باره گفت:

برای نمونه، فراماده می‌تواند برخی امواج صوتی خاص را در جهت‌های خاصی مسدود کند و مانع عبورشان شود و تنها روزنه‌ی کوچکی را برای عبور امواج باز بگذارد که این ویژگی می‌تواند برای ساخت میکروفون‌ها به کار برده شود. برای کاربردهای دیگر می‌توان این روزنه را به اندازه‌ی دلخواه باز گذاشت تا امواج صوتی بیشتری رد شود.

هم اکنون، نمونه‌ی اولیه‌ی این فراماده در اندازه‌ی تقریبی ۳۰ سانتی‌متر مربع ساخته شده است و برای صداهایی در بازه‌ی ۱ تا ۲.۵ کیلوهرتز کارامد است. ژینگ درباره‌ی ادامه‌ی پژوهش‌ها گفته: 

چالش آینده‌ی ما این است که این سازه را در اندازه بسیار کوچکتر بسازیم و همچنین آن را برای کار در فرکانس‌های بالاتر هم بهبود دهیم.