Nový metamateriál směruje vibrace do uspořádaných drah

– Výzkumníci vyvinuli návrhové principy, které umožňují pomocí mikrofabrikace realizovat složité vzory na křemíkových čipech.
– Díky těmto vzorům následují vibrace předem dané cesty.
– Takto strukturovaný materiál by mohl získávat energii z vibrací nebo bezdrátově zpracovávat signály.

Výzkumníci z ETH Zürich strukturovali tenkou křemíkovou membránu tak, aby cíleně směrovala mechanické vlny po určitých drahách. Takové struktury nabízejí zajímavé možnosti, jak přeměnit nežádoucí vibrace na užitečnou energii nebo zpracovávat mechanické signály.

Metamateriály – tento pojem může laikům znít esotericky. Pro vědu je však tento obor zajímavým výzkumným polem, které se zvláště od 90. let rychle rozvíjelo.

Pro pouhý pohled vypadá metamateriál jako běžný materiál. Na menších škálách je však konstruován neobvyklým způsobem. To mu dodává zvláštní mechanické vlastnosti, které původní materiál nemá.

Takové uměle navržené materiály jsou například velmi lehké, tuhé, silně tvárné nebo tlumí nárazy a vibrace. Použití sahá od podrážek bot (ETH-News informovalo) a přileb až po mikroelektroniku.

Zvláštní vlastnost díky speciální mikrostruktuře

Jeden z výzkumníků, který se ve své práci intenzivně zabývá metamateriály, je Dennis Kochmann, profesor mechaniky a výzkumu materiálů na ETH Zürich. „Je fascinující, jak pomocí speciální mikrostruktury lze z materiálu vytěžit něco, co by bez této struktury neměl,“ říká.

Nedávno Kochmann a jeho spolupracovníci představili ve dvou vědeckých publikacích nový typ phononického metamateriálu, materiál, který dokáže cíleně řídit mechanické vlny – vibrace nebo akustické signály.

Takový metamateriál by například mohl být využit k získávání energie z vibrací nebo k mechanickému zpracování signálů, což je zajímavé pro senzory a mechanické počítače bez napájení.

Hustá křemíková membrána jako vodič vln

Pokud se kovová deska rozkmitá – například úderem kladiva – šíří se vibrace obvykle kruhovým způsobem, podobně jako vlny ve vodě. Pokud má však tato deska speciální strukturu, může vlny odklonit po cílených drahách. Přesně tohoto efektu využili vědci z ETH.

Místo kovové desky použili extrémně tenkou křemíkovou membránu, do které pomocí speciálních fotolitografických a leptacích metod vložili nespočet děr, které se skládají do specifického vzoru.

Vzor složený z milionů prvků

Vzor se skládá z milionů opakujících se čtvercových prvků – drobných čtverců, rozdělených křížem do čtyř dalších čtverců. Uprostřed hlavního čtverce je čtyřpaprsková hvězda.

Tato základní buňka není po celém vzoru identická jako u mnoha jiných metamateriálů, ale postupně se mění, přičemž se upravuje délka ramen hvězdy.

Pro generování těchto vzorů využívali vědci z ETH speciální počítačové modely. Simulovali, jak se šíří vlna dopadající na vzor v paprscích.

„Kdybychom celé vlnové pole simulovali klasickým způsobem, bylo by to extrémně náročné na výpočetní výkon, protože návrhový prostor s miliony stupňů volnosti je obrovský,“ vysvětluje bývalý spolupracovník Kochmanna Charles Dorn. Ten vedl simulace a nyní působí jako docent na University of Washington.

Puzzle na nejvyšší úrovni

„Návrh našeho metamateriálu je modulární jako u puzzle,“ říká Kochmann. Různé dílky puzzle tak plní specifické funkce, například odklánění paprsků v pravém úhlu nebo rozdělení vln podle jejich frekvence do různých směrů. Pokud vědci šikovně složí příslušné dílky dohromady, mohou vytvořit složité vlnové cesty, například ležatou osmičku.

Vyrobeno v čistém prostředí na křemíkovém nosiči

V dalším kroku vědci přesně vyrobili navržené struktury v čistém prostředí v Nanotechnologickém centru Binnig and Rohrer na ETH Zürich a u IBM. Použili k tomu běžný křemíkový substrát jako nosič. V několika pracovních krocích z něj vytvořili křemíkovou membránu, která je přesně strukturována podle simulovaného vzoru, s statisíci mikroprvků o velikosti několika mikrometrů, které jsou pouhým okem téměř neviditelné.

Na závěr vědci experimentálně ověřili vytvořené membrány. Pomocí laserových pulzů je uvedli do kmitání. Optickým měřicím zařízením sledovali v reálném čase šíření vibrací.

Takto mohli Kochmann a jeho spolupracovníci potvrdit, že vlny skutečně následují předem dané cesty, částečně i po dlouhou dobu.

Struktury nefungují jen při jedné frekvenci vibrací: ačkoliv vědci systém navrhli na 750 kHz (750 000 kmitů za sekundu), funguje i při frekvencích od asi 250 do 800 kHz. „Tento širokopásmový rozsah frekvencí jsme neplánovali, překvapil nás,“ říká spoluautor studie Vignesh Kannan, která byla publikována v odborném časopise Nature Communications.

Protože křemík má přirozeně nízkou ztrátovost, mohou se vlny dlouhodobě šířit. To je velká výhoda oproti polymerovým 3D tiskovým strukturám, jejichž ztrátovost rychle potlačuje jakékoli vibrace, vysvětluje Kannan, který je nyní docentem na École Polytechnique v Paříži.

Získávání energie z vibrací

Nová křemíková membrána by mohla být využívána v mikro- a nanoelektronice například ke zlepšení kontroly vibrací na čipech. Zajímavé je také phononické metamateriály pro mechanické zpracování signálů bez napájení, například v senzorech pro monitorování infrastruktury v odlehlých oblastech. Dlouhodobě by mohly být využity i pro nové počítačové architektury.

Kochmann však uvažuje i o Energy Harvester – zařízeních, která cíleně směřují vibrace k piezoelektrickým konvertorům, jež z nich získávají použitelnou elektřinu.

V dalších krocích chtějí on a jeho partneři posunout miniaturizaci ještě dále – až na hranici možného, kde začnou působit výrobní chyby v mikro- nebo dokonce nanostrukturách.

„Chceme také lépe porozumět fyzice za tímto jevem. Dosud není úplně jasné, proč návrh funguje tak odolně v širokém frekvenčním rozsahu,“ říká Kochmann.

Pro něj je základní výzkum prioritou, protože některé z podstatných jevů stále zůstávají záhadou. Aplikace se často samy nabízejí, dodává vědec. „To je to krásné na ETH: Můžeme zkoušet věci a zkoumat základy bez komerčního tlaku.“

Literární odkazy

Kannan V, Dorn C, Drechsler U, Kochmann DM: Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales. Physical Review X 2026, 16: 011047, DOI: externí odkaz 10.1103/21w4-zn1s
Dorn C, Kannan V, Drechsler U et al.: Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nature Communication 2026, 17: 3192, DOI: externí odkaz 10.1038/s41467-026-69888