Nowy metamateriał kieruje drgania na uporządkowane ścieżki

– Naukowcy opracowali zasadę projektowania, aby za pomocą mikrofabrykacji realizować skomplikowane wzory na układach krzemowych.
– Dzięki tym wzorom drgania podążają wyznaczonymi ścieżkami.
– Taki strukturalny materiał mógłby pozyskiwać energię z drgań lub bezprzewodowo przetwarzać sygnały.

Naukowcy z ETH Zürich tak ustrukturyzowali cienką membranę krzemową, że może ona celowo kierować fale mechaniczne po określonych trajektoriach. Takie struktury oferują interesujące możliwości przekształcania niepożądanych drgań w użyteczną energię lub przetwarzania sygnałów mechanicznych.

Metamateriały – ten termin może brzmieć dla laików ezoterycznie. Dla nauki jest to jednak interesujący obszar badawczy, który szczególnie od lat 90. XX wieku rozwija się błyskawicznie.

Dla gołego oka metamateriał wygląda jak zwykły materiał. Na mniejszych skalach jest jednak zbudowany w niezwykły sposób. To nadaje mu wyjątkowe właściwości mechaniczne, których nie posiada materiał wyjściowy.

Takie sztucznie zaprojektowane materiały są na przykład bardzo lekkie, sztywne, mocno odkształcalne lub tłumią uderzenia i drgania. Zastosowania obejmują od podeszw butów (ETH-News informowało) i hełmów po mikroelektronikę.

Specjalna cecha dzięki specjalnej mikrostrukturze

Jednym z badaczy, który intensywnie zajmuje się metamateriałami, jest Dennis Kochmann, profesor mechaniki i badań nad materiałami na ETH Zürich. „To fascynujące, jak dzięki specjalnej mikrostrukturze można wyciągnąć z materiału coś, czego bez tej struktury nie ma” – mówi.

Ostatnio Kochmann i jego współpracownicy przedstawili w dwóch publikacjach naukowych nowatorski tzw. fononiczny metamateriał, czyli materiał, który może celowo kontrolować fale mechaniczne – drgania lub sygnały akustyczne.

Takie metamateriały mogłyby na przykład służyć do pozyskiwania energii z drgań lub do mechanicznego przetwarzania sygnałów, co jest interesujące dla czujników i mechanicznych komputerów bez zasilania elektrycznego.

Ultracienka membrana krzemowa jako przewodnik fal

Gdy metalową płytę wprawi się w drgania – na przykład uderzeniem młotka – drgania zwykle rozprzestrzeniają się w sposób kołowy, podobnie jak fale na wodzie. Jeśli jednak ta płyta ma specjalną strukturę, może przekierowywać fale na wyznaczone ścieżki. Dokładnie tego efektu użyli naukowcy z ETH.

Zamiast metalowej płyty używają ekstremalnie cienkiej membrany krzemowej, do której naukowcy za pomocą specjalnej fotolitografii i procesów wytrawiania wprowadzili niezliczone otwory, tworząc określony wzór.

Wzór z milionów elementów

Wzór składa się z milionów powtarzających się kwadratowych elementów – malutkich kwadratów, które są podzielone na cztery mniejsze kwadraty w układzie krzyżowym. W centrum głównego kwadratu znajduje się czteroramienny gwiazdozbiór.

Te komórki podstawowe nie są identyczne na całym wzorze, jak w wielu innych metamateriałach, lecz stopniowo się zmieniają, poprzez modyfikację długości ramion gwiazdy.

Aby wygenerować te wzory, naukowcy z ETH korzystali ze specjalnych modeli komputerowych. Symulowali, jak fala uderzeniowa trafiająca na wzór rozchodzi się w promieniach.

„Gdyby symulować całą falę klasycznymi metodami, byłoby to niezwykle kosztowne obliczeniowo, ponieważ przestrzeń projektowa z milionami stopni swobody jest ogromna” – wyjaśnia były współpracownik Kochmanna, Charles Dorn. Był głównym odpowiedzialnym za symulacje, a obecnie pracuje jako adiunkt na University of Washington.

Układanie na najwyższym poziomie

„Projekt naszego metamateriału jest jak modułowa układanka” – mówi Kochmann. Różne elementy układanki pełnią określone funkcje, na przykład przekierowywanie promieni pod kątem prostym lub dzielenie fal na różne kierunki w zależności od ich częstotliwości. Umiejętnie łącząc te elementy, naukowcy mogą generować skomplikowane ścieżki fal, na przykład ósemkę leżącą.

Wytwarzanie w warunkach czystego pomieszczenia na podłożu krzemu

W kolejnym kroku naukowcy precyzyjnie wyprodukowali wyliczone struktury w czystym pomieszczeniu w Centrum Nanotechnologii Binnig and Rohrer na ETH Zürich oraz w IBM. Do tego użyli tradycyjnej płyty krzemowej jako podłoża. W kilku etapach wyprodukowali z niej membranę krzemową, która jest dokładnie strukturalnie zgodna z symulowanym wzorem, zawierającą setki tysięcy elementów o wielkości kilku mikrometrów, które są niemal niewidoczne gołym okiem.

Ostatecznie naukowcy sprawdzili wyprodukowane membrany eksperymentalnie. Za pomocą impulsów laserowych wywołali drgania membrany krzemowej. Przy pomocy optycznej metody pomiarowej śledzili w czasie rzeczywistym rozprzestrzenianie się drgań.

W ten sposób Kochmann i jego współpracownicy potwierdzili, że fale rzeczywiście podążały wyznaczonymi ścieżkami, czasami przez długi czas.

Struktury nie działają tylko przy jednej częstotliwości drgań: mimo że naukowcy zaprojektowali system na 750 kHz (750 000 drgań na sekundę), działa on również w zakresie od około 250 do 800 kHz. „Tak szeroki zakres częstotliwości nie był przez nas planowany, zaskoczył nas pozytywnie” – mówi Vignesh Kannan, współautor badania, które ukazało się w czasopiśmie Nature Communications.

Ponieważ krzem jako materiał naturalnie charakteryzuje się niskim tłumieniem, fale mogą się rozchodzić długo, co jest dużą zaletą w porównaniu do struktur drukowanych 3D na bazie polimerów, które szybko tłumią drgania – wyjaśnia Kannan, obecnie adiunkt w École Polytechnique w Paryżu.

Pozyskiwanie energii z drgań

Nowa membrana krzemowa mogłaby znaleźć zastosowanie w mikro- i nanoelektronice, na przykład do lepszego kontrolowania drgań na układach krzemowych. Interesujące jest to fononiczne metamateriał także dla mechanicznej przetwarzania sygnałów bez zasilania, na przykład w czujnikach monitorujących infrastrukturę w odległych obszarach. W dłuższej perspektywie mogą być również wykorzystywane do nowych architektur komputerowych.

Kochmann myśli także o Energy Harvester – urządzeniach, które celowo kierują energię z drgań do piezoelektrycznych przetworników energii, z których można pozyskać użyteczny prąd.

W kolejnych etapach planują dalej miniaturyzować rozwiązania – aż do granic możliwości, gdzie błędy produkcyjne w mikro- lub nawet nanostrukturach zaczynają mieć znaczenie.

„Chcemy także lepiej zrozumieć fizykę stojącą za tymi zjawiskami. Dotychczas nie jest do końca jasne, dlaczego ten projekt jest tak wytrzymały na szeroki zakres częstotliwości” – mówi Kochmann.

Stawia on na badania podstawowe, ponieważ niektóre z podstawowych zjawisk nadal pozostają zagadką. Zastosowania pojawiają się często same, jak twierdzi naukowiec. „To jest piękne w ETH: możemy eksperymentować i badać podstawy bez presji komercyjnej”.

Bibliografia

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: zewnętrzna strona 10.1103/21w4-zn1s
Dorn C, Kannan V, Drechsler U i in.: Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nature Communication 2026, 17: 3192, DOI: zewnętrzna strona 10.1038/s41467-026-69888