Baked breads on production line at bakery
Come abbiamo discusso in questo articolo i metamateriali sono una nuova classe di materiali nata dal connubio di più discipline, la loro peculiarità consiste nell’essere in grado di elaborare e attuare autonomamente una risposta ad uno stimolo esterno. Dei ricercatori dell’università del Minnesota sono riusciti a creare delle metasuperfici in grado di manipolare oggetti di dimensioni rilevanti grazie all’uso di onde sonore.
Qualsiasi onda durante il suo cammino impartisce una forza sugli oggetti che la ostacolano secondo il principio della conservazione della quantità di moto, il tutto avviene secondo il fenomeno dello scattering che descrive come onde e materia interagiscono tra loro. A causa delle forme irregolari degli oggetti la forza impressa dall’onda risulta blanda e il fenomeno è difficilmente percettibile. L’idea alla base di questo studio è quella di realizzare delle superfici appositamente studiante per amplificare questo effetto e sfruttarlo a proprio vantaggio.
Le superfici ideate sono composte da celle di dimensione inferiore alla lunghezza d’onda che si intende usare, per dimostrare le potenzialità di questa tecnica i ricercatori dell’University of Minnesota hanno realizzato tre metasuperfici con altrettanti comportamenti. A prima vista appaiono uguali (tre blocchi di polimero) ma se sottoposte a onde sonore con frequenza di 20kHz rispondono in modo completamente differente. La prima subisce uno spostamento in direzione normale alle onde sonore, la seconda si “autocentra” in direzione delle onde, la terza viene attratta in direzione della fonte sonora.
Inizialmente le metasuperfici sono state studiate con il metodo degli elementi finiti per sbozzarne la forma e successivamente affinate con prove di laboratorio. Per la loro realizzazione i ricercatori hanno scelto la stampa 3D, grazie ad una stampante polyjet hanno potuto ottenere le superfici volute in modo dettagliato e preciso. La quasi totale assenza di sbavature e irregolarità delle superfici così realizzate ha garantito di enfatizzare il più possibile la risposta alle onde sonore.
La chiave per ottenere questi comportamenti di “scattering anomalo” sta nella forma delle celle disposte in superficie. Consideriamo ora la superficie in grado di auto centrarsi in direzione della fonte sonora, quado essa è allineata in direzione della fonte lo scattering è simmetrico e non si presenta alcuna forza, quando si presenta una asimmetria il design delle celle è in grado di ripristinare la condizione di equilibrio. Questo effetto è dovuto alla combinazione tra larghezza e profondità delle celle unito alla disposizione simmetrica come da figura.
La il terzo campione presenta forse la caratteristica più interessante ovvero è attratto dalle onde acustiche anziché venire respinto. Questo è possibile alla combinazione tra design della superficie e angolo di incidenza delle onde.
I ricercatori hanno notato che per angoli di incidenza intorno ai 22° il fronte d’onda si disperde frontalmente alla superficie. Ciò comporta una differenza di pressione tra fronte e retro dell’oggetto che genera questo effetto di attrazione verso la fonte sonora
Un vantaggio di questa scoperta è quella di poter rivestire un oggetto con una metasuperficie appositamente studiata. Così facendo si slegano la forma dell’oggetto e a la suo risposta allo scattering potendone progettare il comportamento in base alle proprie esigenze. Tecniche simili sono già impiegate in vari settori ma questa potrebbe essere la svolta per estendere la manipolazione meccanica con onde sonore ad oggetti di dimensioni rilevanti.
Applicazioni immediate sono legate alla manipolazione, orientamento e trasporto di oggetti su nastri. Grazie a questa scoperta tali operazioni diventerebbero più precise e meno rumorose data la possibilità di studiare superficie in modo che risponda a specifiche lunghezza d’onda non fastidiose per il nostro udito.