Nuevos metamateriales logran romper la simetría del movimiento

Estos metamateriales mecánicos fácilmente transfieren el movimiento sin esfuerzo en una dirección mientras que lo bloquean en la otra, como se describe en un artículo publicado el 13 de febrero en Nature.

Este material sintético --con propiedades que no se pueden encontrar en la naturaleza-- puede ser pensado como un escudo unidireccional mecánico que bloquea la energía de entrar, pero que fácilmente la transmite saliendo por el otro lado.

Romper la simetría del movimiento puede permitir un mayor control sobre los sistemas mecánicos y una mayor eficiencia. Estos metamateriales no recíprocos pueden usarse potencialmente para realizar nuevos tipos de dispositivos mecánicos: por ejemplo, actuadores (componentes de una máquina que son responsables de mover o controlar un mecanismo) y otros dispositivos que podrían mejorar la absorción, conversión y recolección de energía, robótica blanda y prótesis.

El descubrimiento de los investigadores radica en la capacidad de superar la reciprocidad, un principio fundamental que rige muchos sistemas físicos, lo que garantiza que obtengamos la misma respuesta cuando empujamos una estructura arbitraria desde direcciones opuestas.

Este principio regula cómo las señales de varias formas viajan en el espacio y explica por qué, si podemos enviar una radio o una señal acústica, también podemos recibirla. En la mecánica, la reciprocidad implica que el movimiento a través de un objeto se transmite simétricamente: si al empujar el lado A movemos el lado B por una cierta cantidad, podemos esperar el mismo movimiento en el lado A al empujar B.

"Los metamateriales mecánicos que creamos proporcionan nuevos elementos en la paleta que los científicos de materiales pueden usar para diseñar estructuras mecánicas", dijo Andrea Alu, profesora de la Escuela de Ingeniería Cockrell y coautora del artículo. "Esto puede ser de extremo interés para aplicaciones en las que es deseable romper la simetría natural con la que el desplazamiento de moléculas viaja en la microestructura de un material".

Durante los dos últimos años, Alu, junto con el científico de la investigación de la escuela Cockrell Dimitrios Sounas y otros miembros de su equipo de investigación, han hecho avances interesantes en el área de dispositivos no recíprocos para electromagnetismo y acústica, incluyendo la realización del primer dispositivo no recíproco en su clase para el sonido, las ondas de radio y la luz. Durante su visita al instituto AMOLF en los Países Bajos, iniciaron una fructífera colaboración con Corentin Coulais, que recientemente ha estado desarrollando metamateriales mecánicos. Su estrecha interacción llevó a este avance.

Los investigadores crearon por primera vez un metamaterial hecho de goma, --de la escala del centímetro-- con un diseño estructural específicamente basado en la espina de pez. Adaptaron su diseño a las condiciones principales para romper la reciprocidad, a saber, la asimetría y una respuesta que no es linealmente proporcional a la fuerza ejercida.

"Esta estructura nos proporcionó la inspiración para el diseño de un segundo metamaterial, con propiedades no recíprocas inusualmente fuertes", dijo Coulais. "Al sustituir los elementos geométricos simples del metamaterial de espina de pez con una arquitectura más intrincada hecha de cuadrados y diamantes conectados, encontramos que podemos romper muy fuertemente las condiciones para la reciprocidad, y podemos lograr una respuesta no recíproca muy grande".

La estructura del material es una red de cuadrados y diamantes que es completamente homogénea en toda la muestra, como un material ordinario. Sin embargo, cada unidad de la red está ligeramente inclinada de cierta manera, y esta sutil diferencia controla dramáticamente la forma en que el metamaterial responde a estímulos externos.

"El metamaterial como un todo reacciona asimétricamente, con un lado muy rígido y un lado muy suave", dijo Sounas. "La relación entre la asimetría de la unidad y la ubicación del lado blando puede predecirse mediante un marco matemático muy genérico llamado topología, donde cuando las unidades arquitectónicas se inclinan hacia la izquierda, el lado derecho del metamaterial será muy suave y viceversa".

Cuando los investigadores aplican una fuerza en el lado blando del metamaterial, induce fácilmente rotaciones de cuadrados y diamantes dentro de la estructura, pero sólo en las proximidades del punto de presión, y el efecto en el otro lado es pequeño.

Por el contrario, cuando aplican la misma fuerza en el lado rígido, el movimiento se propaga y se amplifica a través del material, con un gran efecto en el otro lado. Como resultado, empujar desde la izquierda o de la derecha da lugar a respuestas muy diferentes, produciendo una gran no-reciprocidad incluso para pequeñas fuerzas.

El equipo está ansioso por aprovechar estos metamateriales mecánicos topológicos para diversas aplicaciones, optimizarlos y tallar dispositivos fuera de ellos para aplicaciones en robótica suave, prótesis y recolección de energía.