Estrutura de metamaterial elástica projetada feita de um único material elástico linear. (Ilustração: Dr. Yi Chen, KIT)

As ondas acústicas em gases, líquidos e sólidos geralmente viajam a uma velocidade quase constante do som. Os chamados rotons são uma exceção: sua velocidade do som muda significativamente com o comprimento de onda, e também é possível que as ondas viajem para trás. Pesquisadores do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) estão estudando as possibilidades de uso de rotons em materiais artificiais. Esses metamateriais projetados por computador, produzidos por impressão a laser 3D ultraprecisa, podem ser usados no futuro para manipular ou direcionar o som de maneiras que nunca foram possíveis antes. Um relatório sobre o trabalho dos pesquisadores foi publicado na Nature Communications.

Os rotons são quasipartículas, o que significa que se comportam de maneira semelhante às partículas livres. Ao contrário das ondas acústicas comuns em gases, líquidos e sólidos, a velocidade do som muda significativamente com o comprimento de onda. Além disso, certas frequências geram três ondas parciais diferentes. “O mais lento entre eles é uma onda para trás: o fluxo de energia e as frentes de onda correm em direções exatamente opostas”, explica o professor Martin Wegener do Instituto de Física Aplicada (APH) e do Instituto de Nanotecnologia do KIT (INT). Entender e se beneficiar de quasipartículas como os rotons é um dos grandes desafios da física quântica. O físico Lev Landau, que ganhou um Prêmio Nobel em 1962 por seu trabalho inovador, previu sua existência no contexto de superfluidez, uma condição em que um fluido perde sua fricção interna e se torna termicamente condutivo de uma forma quase ideal. Até agora, os rotons só podiam ser observados em condições físicas quânticas especiais em temperaturas muito baixas – e, portanto, não eram adequados para aplicações técnicas.

Rotons sem quaisquer efeitos quânticos

Isso pode mudar no futuro: no cluster de excelência 3D Matter Made to Order do KIT e da University of Heidelberg, um grupo de pesquisadores está trabalhando em metamateriais que “crescem” rotons. Metamateriais exibem propriedades ópticas, acústicas, elétricas ou magnéticas que não são encontradas na natureza. Os cientistas propõem um material artificial que pode produzir rotons sem quaisquer efeitos quânticos em condições ambientais normais e em frequências ou comprimentos de onda quase aleatórios. Assim, pode ser possível no futuro manipular melhor as ondas sonoras no ar ou nos materiais, por exemplo, devolvê-las, redirecioná-las ou criar ecos. Esses materiais ainda não foram demonstrados experimentalmente; no entanto, deve ser possível produzi-los usando tecnologias como a impressão a laser 3D ultraprecisa. “Nós até mesmo fizemos alguns desses metamateriais nesse ínterim”, disse o professor Martin Wegener. “Atualmente, estamos trabalhando intensamente na prova experimental direta da existência de rotons.”

Impressão 3D – o portal do mundo digital para o mundo físico

O Dr. Yi Chen, principal autor da publicação, explica que os pesquisadores confiaram em uma combinação de reflexão, muitas discussões e simulações e otimizações numéricas para conceber o design virtual auxiliado por computador de materiais com essas novas propriedades. Seu trabalho como pesquisador de pós-doutorado no KIT é financiado pela Fundação Alexander von Humboldt e está integrado a um programa Helmholtz intitulado “Engenharia de Sistemas de Materiais” lançado em 2021. “Em geral, nosso sonho é projetar materiais no computador e depois transformá-los diretamente em realidade – sem anos de tentativa e erro. Portanto, a impressão 3D é apenas um conversor automatizado, por assim dizer, do mundo digital para o mundo físico”, explica o professor Martin Wegener.

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