作者:臧剑锋等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/8/25 14:54:42
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无序超构材料实现软材料中振动高效聚集

用于振动集中的柔性DHEM。(a) DHEM示意图。(b) 传统声学黑洞示意图:主体由抛物线和相切的直线组成,但实际制造出的声学黑洞有明显的截断。(c) 制备的柔性DHEM实际样品照片。

从地铁的轰鸣到洗衣机的转动,生活中的振动无处不在。这些振动覆盖宽广的频率范围,其中也蕴含着可供利用的绿色能量。近些年发展起来的基于压电和摩擦纳米发电机的微型换能器,可以把这种无处不在的振动转换为电能,有望为可穿戴消费电子产品、人体内植入的电子设备、物联网终端,以及严苛环境下的无人探测器等实时充电。然而还有许多振动是目前这些手段无法充分利用的。这是因为:自然界中的振动分布在各种频率上;

自然界中的振动通常较为分散,局部振动较弱;自然界中的振动源通常具有柔软的表面或者不规则的外形。因此,开发一种能够在宽频范围聚集振动的、可变形贴合的无源柔性器件就显得十分有必要。

最近,华中科技大学臧剑锋教授研究团队(唐瀚川,郝卓群,刘盈,田野,牛浩,臧剑锋)在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表研究论文,提出可以利用无序超均匀图案分布构建内部声子带隙反射界面,来逼近理论上的完美声学黑洞,从而设计出了柔性的无序超均匀弹性超构材料(Disordered Hyperuniform Elastic Metamaterials,DHEM),在宽频范围内拥有约4000倍的振动聚集增强效果。

“声学黑洞”通常是一段拥有幂函数边缘曲线的楔子形状结构。理论上,它能够将入射的弹性波(包括振动)全部聚集到楔形的尖端处,此时,弹性波的群速度为0,而振幅无限大。然而在实际生产加工过程中,楔子的尖端必然有一个截断,这会大大减弱声学黑洞的聚集效应。在这项研究中,研究者将刚性圆柱按照优化好的特殊无序分布插入软材料基体内部,圆柱的排列分布具有幂函数(这里是抛物线)的边缘,近似于完美声学黑洞的条件。因此,当处于带隙频率范围内的弹性波从一边入射时,插入了圆柱的部分即可充当反射体,将弹性波很好地聚集在超构材料中虚拟的尖端位置(如图中的concentration region)。实验还证明,在一定程度变形条件下,这种柔性无序超均匀弹性超构材料仍能保持良好的振动集中效果。

柔性无序超均匀弹性超构材料的设计和实现拓宽了超材料的具体应用场景,为进一步高效利用自然界中的振动能量、增强对微弱振动的感知奠定了坚实的基础。此项工作得到国家科技部重点研发专项、国家自然科学基金委面上项目的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab133

 
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