Ideální kapalina je nestlačitelná a má díky nulovému vnitřnímu tření nulovou viskozitu. Zvuk se v ní šíří jenom ve formě podélných, ne však příčných vln. Z hlediska mechanických materiálových vlastností se její modul pružnosti ve smyku (míra pevnosti) rovná nule, zatímco modul objemové pružnosti (převrácená hodnota stlačitelnosti) má nekonečně velkou hodnotu. Samozřejmě, že jde o teoretický limitní případ a reálné kapaliny se k těmto parametrům více či méně blíží.
Je ale možné vytvořit pevnou látku s podobnými mechanickými vlastnostmi? Teoreticky existuje již hezkou řádku let, v roce 1995 ji popsali Graeme Milton a Andrej Cherkaev (Čerkajev). V odborné literatuře ji najdeme pod pojmem metakapalina (metafluid) nebo „pentamode material“, což vzniklo spojením řeckého „penta“ (pět) a „mode“ (režim, mód). Toto označení souvisí s jistou formou matematického vyjádření tenzoru pružnosti ideálních metakapalin, kde v matici (6x6) je na diagonále 5 nulových složek a jedna nenulová.
Samozřejmě, že opět jde o teoretickou idealizaci, jež není ve skutečnosti dosažitelná, udává ale kterým směrem je potřebné bádat a hledat strukturu s požadovanými vlastnostmi. V případě reálné metakapaliny se hledá metamateriál s největším poměrem modulu objemové pružnosti k modulu pružnosti ve smyku (reálný prý může být až tisíc násobek). Miltom s Čerkajevem ve své práci navrhli trojrozměrné řešení - strukturu z podlouhlých dvojitých kuželů s vnitřní symetrií jako má diamant (obrázek vpravo).
Po více než patnácti letech od teoretické studie se tuto představu podařilo do reálné podoby převést německým vědcům z Technického ústavu v Karlsruhe. Strukturu vytvořili podle počítačových modelů z polymeru pomocí přímé laserové litografie.
„Vytvoření pentamódového metamateriálu je stejně složité, jako stavba lešení z drobných tenkých kolíčků, které se mohou dotýkat jen svými konci,“ vysvětluje první autor studie Muamer Kadic. „Prototyp z Karlsruhe je vyrobený z polymeru a jeho mechanické vlastnosti závisí od ostrosti a délky jednotlivých „homolí“. Na jedné straně musíme být schopni je vytvořit v nanometrových rozměrech a spojit ve správném úhlu. Na straně druhé je naší snahou dosáhnout, aby celek byl co největší. Vzhledem k tomu, že samotná hmota polymeru zabírá jen něco málo přes jedno procento celého objemu, materiál je velmi lehký.“
Rozměry dvojitého kuželu - zejména jeho celková délka a rozměr mírně sřezaného (komolého) hrotu, tedy jeho "špičatost" - výrazně ovlivňují mechanické vlastnosti celé struktury, která je velkou nadějí pro akustiku. Tak jako v optice se vědci pomocí metamateriálu snaží vytvořit různé pláště neviditelnosti zahalující zatím jen velmi drobné předměty před odrazem a rozptylem světla určitého vlnového rozsahu, tak by fyzikové mohli z metakapalin vhodných vlastností „ušít“ plášť neslyšitelnosti. Ale to je jen jedna, ta nejvíce medializovaná možnost, jakých se nabízí mnohem více – od akustických hranolů až po nové principy přenosu a transformace zvuku, třeba v nových typech reproduktorů.
Zdroje: Karlsruhe Institute of Technology, Applied Physics Letters
Diskuze:
