Technologieforum

Kontruktion eines Metamaterials

Metamaterial aus dem 3-D-Drucker lässt Schallwellen rückwärts laufen

Forscher träumen davon, Metamaterialen am Rechner zu designen und dann direkt am 3-D-Drucker zu erzeugen. Mit solchen Materialien ließe sich beispielsweise Schall auf unnatürliche Weise lenken.

Metamaterialien weisen optische, akustische, elektrische oder magnetische Eigenschaften auf, wie sie in der Natur nicht vorkommen. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wollen ein Metamaterial entwickeln, das akustische Wellen auf bisher unerreichte Weise manipulieren lässt. Zur Herstellung soll ein 3-D-Laserdrucker eingesetzt werden.

Akustische Wellen in Gasen, Flüssigkeiten und festen Stoffen weisen üblicherweise eine fast konstante Schallgeschwindigkeit auf. Eine Ausnahme bilden die Quasiteilchen genannt Rotonen: Bei ihnen ändert sich die Schallgeschwindigkeit deutlich mit der Wellenlänge, und auch rückwärts laufende Wellen sind möglich.

Für bestimmte Frequenzen treten drei verschiedene Teilwellen auf. „Bei der langsamsten unter ihnen handelt es sich um eine Rückwärtswelle: Der Energiefluss und die Wellenfronten laufen in genau entgegengesetzte Richtungen“, erklärt Professor Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik (APH) und vom Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT.

Die Wissenschaftler schlagen ein solches künstliches Material vor, das Rotonen ganz ohne Quanteneffekte unter normalen Umgebungsbedingungen und bei fast frei wählbaren Frequenzen zeigt (Bild). Damit könnte es in Zukunft möglich werden, Schallwellen in Luft oder in Materialien besser zu manipulieren, beispielsweise sie zurückzuwerfen, sie umzulenken oder Echos zu erzeugen. „Generell haben wir ja den Traum, Materialien am Computer zu designen und sie dann direkt – ohne jahrelanges Ausprobieren – in die Realität zu übertragen. Der 3-D-Druck ist dann gleichsam nur ein automatisierter Konverter von der digitalen in die physische Welt“, erklärt Professor Martin Wegener.

Originalveröffentlichung

[Roton-like acoustical dispersion relations in 3D metamaterials, Yi Chen, Muamer Kadic and Martin Wegener, Nature Communications volume 12, Article number: 3278 (2021), DOI: 10.1038/s41467-021-23574-2]

Quelle und Foto: www.kit.edu (Bild: Yi Chen, KIT)