با استفاده از فناوری نانو؛

پوست کوسه به کمک ساخت ماده هوشمند صوتی می‌آید

محققان در مطالعات جدید خود یک ماده هوشمند صوتی با الهام از پوست کوسه و استفاده از نانوذرات ساختند.

کد خبر: ۸۳۴۲۹۵

پنجشنبه - ۲۲ اسفند ۱۳۹۸ / March 12, 2020

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری دانشجو، از هدفونی که برای گوش دادن به اهنگ مورد علاقه‌مان یا پادکست‌ها استفاده می‌کنیم، برای پوشش صوتی در زیردریایی‌ها نیز استفاده می‌شود. نحوه انتقال و تجربه صدا بخشی از چگونگی درگیری ما با دنیای اطراف است. مواد صوتی، موادی هستند که برای کنترل، هدایت و دستکاری امواج صوتی هنگام عبور از محیط‌های مختلف طراحی شده‌اند. به این ترتیب، آن‌ها می‌توانند طراحی شده و به ساختار‌هایی تبدیل شوند که صدا را تعدیل کرده یا انتقال دهند.

مشکل اینجاست که مواد صوتی معمولی هندسه پیچیده‌ای دارند. آن‌ها اغلب از فلز یا پلاستیک سخت ساخته شده و قابل تغییر نیستند. برای مثال دستگاه‌های صوتی که برای پوشش صدای محیط در زیر دریایی‌ها استفاده می‌شوند. اما اگر شرایط تغییر کند، مثلا زمانی که متحد زیردریایی می‌خواهد با آن ارتباط برقرار کند، دستگاه صوتی که برای خنثی کردن صدا استفاده می‌شود اجازه انتقال صدا را نخواهد داد.

گروهی از محققان دانشگاه کالیفرنیا جنوبی، به سرپرستی کیمینگ وانگ، استادیار گروه مهندسی عمران و محیط زیست  یک ماده هوشمند جدید ایجاد کردند که در صورت شرایط متفاوت امکان تغییر در انتقال صوتی را فراهم می‌کند. وانگ گفت: «با مواد متداول صوتی، شما یک ساختار ایجاد کرده و به یک ویژگی خاص دست پیدا می‌کنید. اما با این ماده هوشمند جدید، می‌توانیم با یک ساختار به چندین ویژگی برسیم.» در این مطالعه وانگ و همکارانش یافتند که مواد هوشمند آن‌ها توانایی ایحاد دوباره خواص ذاتی در وسایل الکترونیکی مانند سوئیچ‌ها را دارند، بنابراین نوید انتقال هوشمند را می‌دهند.

وانگ و گروهش از خصوصیات دوگانه ایجاد شده به وسیله دندانه‌های پوستی روی پوست کوسه استفاده کرده و یک متاماده صوتی جدید ساختند که حاوی نانوذرات مغناطیسی حساس بوده و بر اثر تحریکات مغناطیسی خم می‌شوند. این نیروی مغناطیسی می‌تواند ساختار را از راه دور و برحسب تقاضا تغییر داده و شرایط مختلف انتقال را در خود جای دهد.

ماده‌ای که این گروه ساختند ترکیبی از لاستیک و نانوذرات آهن است. این لاستیک قابلیت انعطاف پذیری را فراهم می‌کند و باعث می‌شود مواد بصورت برگشتی و مکرر خم شده و انعطاف پذیری لازم را نشان دهد و از طرف دیگر وجود آهن باعث می‌شود این ماده به میدان مغناطیسی پاسخ بدهد.

برای اینکه سازه‌ها به ورودی‌های صوتی پاسخ بدهند، وانگ و تیمش مجبور شدند تا مواد را به گونه‌ای جمع کنند که تشدید بین آن‌ها اجازه تغییر در انتقال یا ممانعت صدا را بدهد. اگر ذرات بهم نزدیک شوند، موج صوتی بصورت موثر به دام می‌افتد و از انتشار آن در سمت دیگر سازه جلوگیری می‌شود. بر عکس، اگر ذرات از هم دور شوند، موج صوتی به راحتی می‌تواند از بین آن‌ها عبور کند.

یکی از نویسنده‌های این پروژه کیونگ هون لی گفت: «ما از میدان مغناطیسی خارجی برای نزدیک یا دور کردن ذرات استفاده می‌کنیم.» نتیجه این کار تغییر موقعیت انتقال صوت برحسب نیاز است و برخلاف متامواد صوتی معمولی، هیچگونه فشار مستقیمی برای تغییر در ساختار ماده لازم نیست. وانگ و همکارانش توانستند نشان دهند که چگونه مواد هوشمند آن‌ها می‌توانند از سه کلید دستگاه‌های الکترونیکی تقلید کنند: سوئیچ، ورودی و دیود. اثر متقابل مواد حساس به مغناطیس با میدان مغناطیسی، انتقال صوتی را به گونه‌ای دست کاری می‌کند که عملکرد‌هایی مانند یک مدار الکتریکی ایجاد شود.

سوئیچ اجازه می‌دهد تا یک کانال بسته یا باز شود. با استفاده از ساختار‌های ساخته شده با متامواد صوتی هوشمند، شما می‌توانید میدان مغناطیسی را تنظیم کنید تا ذرات خم شده و اجازه بدهند صوت بیشتری عبور کند. در حالت دیگر می‌توانید میدان را خاموش کنید تا تغییر صورت نگرفته و ذرات مانع عبور اصوات خارجی شوند.

یک ورودی بر اساس محرک‌هایی که بر کانال‌ها وارد می‌شود، ساخته شده است. در مورد زیر دریایی، شاید شما بخواهید به جای یک مورد شرایط مختلفی را تنظیم کنید: زمانی که یک سیگنال ضعیف و یک سیگنال قوی دریافت کردید، حمله کنید. هنگامیکه دوسیگنال قوی دریافت کردید فرار کنید. برای اینکه از چندین وضعیت آگاه شوید، به طور سنتی نیاز دارید تا چندین دستگاه داشته باشید و برای هر یک شرایط خاصی را تعریف کنید. اما در این ماده هوشمند اپراتور‌هایی وجود دارند که طبق شرایط مختلف وارد عمل می‌شوند. اپراتو ورودی AND فقط در صورت قوی بودن سیگنال پاسخ خاصی را تحریک می‌کند. اپراتور OR هنگامی پاسخ ایجاد می‌کند که هر دو سیگنال رسیده قوی باشند. با استفاده از متامواد صوتی معمولی فقط می‌توانید یک اپراتور داشته باشید که تنها به یک وضعیت پاسخ می‌دهد.

در نهایت یک دیود وجود دارد. دیود وسیله‌ای است که در آن شدت صوتی از یک سمت زیاد و از سمت دیگر کم است؛ بنابراین موج صوتی از یک سمت منتقل می‌شود. متامواد صوتی قدیمی به شما این امکان را می‌دهد که موج یک طرفه داشته باشید، اما نمی‌توانید آن را تغییر دهید. با استفاده از دیود‌ها در این مواد هوشمند می‌تواند امواج صوتی را در دو جهت داشته باشید.

وانگ گفت: «هیچوقت توسط متامواد‌های موجود صوتی چنین تغییری حاصل نشده است.» در حال حاضر، وانگ و گروهش در حال آزمایش مواد خود در هوا هستند. در مرحله بعد، آن‌ها امیدوارند که همان خصوصیات را در زیر آب آزمایش کنند تا ببینند آیا آن‌ها می‌توانند به همان خصوصیات در محدوده فراصوت دست یابند یا خیر.

وانگ گفت: «لاستیک آبگریز است، بنابراین ساختار تغییر نخواهد کرد، اما ما باید آزمایش کنیم که آیا این مواد هنوز در زیر آب نیز یک میدان مغناطیسی خارجی تنظیم پذیر دارند یا خیر.»