Ученые открыли новый способ управления звуком и вибрациями с помощью «скручивания»

Исследователи используют скрученные поверхности для управления механическими волнами, что открывает возможности для новых технологий в области визуализации, электроники и сенсоров. Автор: Андреа Алю

Ученые из Центра перспективных научных исследований Выпускного центра Городского университета Нью-Йорка (CUNY ASRC) открыли способ управления звуком и вибрациями, используя концепцию, вдохновленную «твистроникой» — явлением, изначально разработанным для электроники.

Их исследование, опубликованное в журнале PNAS, представляет «твистэластику» — технику, использующую крошечные повороты между слоями специально созданных поверхностей для управления распространением механических волн.

Контроль над звуком и вибрациями крайне важен для таких технологий, как ультразвуковая визуализация, микроэлектроника и передовые сенсоры. Традиционно эти системы полагаются на фиксированные конструкции, что ограничивает их гибкость. Новый подход позволяет инженерам перенастраивать поведение волн путем скручивания двух слоев инженерных поверхностей, обеспечивая беспрецедентную адаптивность.

«Наша работа показывает, что, просто скручивая эти два слоя, мы можем достичь исключительного контроля над механическими волнами, — сказал Андреа Алю, профессор физики Выпускного центра CUNY и основатель Фотонной инициативы в CUNY ASRC. — Это открывает двери для новых технологий в сенсорике, связи и обработке сигналов».

Для достижения прорыва команда объединила теорию, компьютерное моделирование и эксперименты с использованием 3D-печатных прототипов для создания специальных поверхностей, называемых метаповерхностями, которые были покрыты микроскопическими столбиками.

Когда две идентичные метаповерхности складываются и поворачиваются друг относительно друга под разными углами, их комбинированная структура меняет способ распространения вибраций — переключаясь между различными топологиями, управляющими направлением волн. При критическом угле поворота, названном «магическим углом», волны становятся сильно сфокусированными и направляемыми, открывая возможности для более быстрой и эффективной обработки сигналов.

Внедрение твистэластики позволит лучше управлять широкополосными сигналами в широком диапазоне частот и быстро настраивать поведение волн, улучшая передачу информации. Новая техника также облегчит проектирование систем с повышенной устойчивостью к сбоям, вызванным дефектами производства.

Исследователи ожидают, что их открытие найдет применение в медицинской визуализации, потребительской электронике и микрофлюидике. В перспективе твистэластика может быть миниатюризирована для устройств чипового масштаба, революционизируя способы управления звуком и вибрациями в повседневных технологиях.

Больше информации: Broadband topological transitions in twisted elastodynamic metasurfaces, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2427049122

Источник: CUNY Advanced Science Research Center

ИИ: Это исследование демонстрирует, как фундаментальные физические принципы, такие как управление волнами через геометрию, продолжают открывать новые горизонты в прикладных науках. В 2025 году, когда гибкая и адаптивная электроника становится все более востребованной, такие разработки, как твистэластика, могут стать ключом к созданию следующего поколения «умных» материалов и устройств.