Científicos de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado un metamaterial hecho de papel y aluminio que manipula las ondas acústicas, doblando la resolución de la toma de imágenes acústicas, enfocando las ondas, y controlando los ángulos con los que le atraviesa el sonido. Cualidades con aplicaciones en el diagnóstico médico y en pruebas de estructuras.
“Este metamaterial es algo que sabíamos que era teóricamente posible, pero en realidad nadie lo había fabricado antes”, dice Yun Jing, responsable de la investigación.
Los metamateriales son simplemente materiales que han sido diseñados para exhibir propiedades que no se encuentran en la naturaleza. En este caso, el diseño estructural del metamaterial le da cualidades que lo hacen “hiperbólico”. Esto significa que interactúa con ondas acústicas de dos maneras diferentes. En una dirección, exhibe una densidad positiva e interactúa con ondas acústicas con normalidad justo igual que el aire. Pero desde una dirección perpendicular, el metamaterial exhibe una densidad negativa en términos de cómo interactúa con el sonido. Esto hace en la práctica que las ondas acústicas se curven en ángulos que son exactamente lo contrario de lo que la física básica haría esperar.
El efecto práctico de esto es que el metamaterial tiene algunas aplicaciones muy útiles. Por un lado, se puede utilizar para mejorar la toma de imágenes acústicas. Tradicionalmente, los escáneres acústicos no han podido conseguir una resolución de imagen más pequeña que la mitad de la longitud de onda de un sonido. Por ejemplo, una onda acústica de 100 kilohercios (kHz), viajando a través del aire, tiene una longitud de onda de 3,4 milímetros, por lo que no se podía lograr una resolución de imagen menor que 1,7 mm.
“Pero nuestro metamaterial mejora eso. Al colocar el metamaterial entre el dispositivo de imagen y el objeto fotografiado, hemos sido capaces de obtener más que doblar la resolución de la imagen acústica, de la mitad de la longitud de onda del sonido a más de una quinta parte.”
El metamaterial también puede enfocar ondas acústicas, lo que hace que sea una herramienta flexible. El personal médico y los ingenieros de estructuras a veces necesitan enfocar sonido para tomar imágenes o con fines terapéuticos. El metamaterial puede hacer eso, además de poder utilizarse para mejorar la resolución. Hay pocas herramientas que puedan hacer las dos cosas, refieren los investigadores.
Actualmente el metamaterial prototipo tiene aproximadamente 30 centímetros cuadrados, y funciona para los sonidos de entre 1 y 2,5 kHz. “Nuestros próximos pasos son hacer la estructura mucho más pequeña, y que pueda funcionar a frecuencias más altas”, dice Jing.
Referencia: NC State