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    使用声波制作永不重复的图案:数学家和工程师们联手展示了超声波如何将水中的碳粒子组织成一种永不重复的模式
    2021年04月15日    阅读量:1390    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

    犹他大学的数学家和工程师合作,展示了超声波如何将水中的碳粒子组织成一种永不重复的模式。他们说,结果可能会产生具有定制磁性或电学性质的称为“准晶体”的材料。


    这项研究发表在《物理评论快报》上中国建材网cnprofit.com


    “准晶体很有趣,因为它们具有晶体所不具备的特性,”数学副教授费尔南多·格瓦拉·巴斯克斯(Fernando Guevara Vasquez)说。“已经证明它们比类似的周期性或无序材料更坚硬。它们还可以导电,或以不同于晶体的方式散射波。”


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    非模式模式


    画一个棋盘。您可以采用两个黑色瓷砖和两个白色(或红色)瓷砖的2乘2的正方形,然后复制并粘贴以获得整个棋盘格。这种“周期性的”结构与模式做重复的,天然存在于晶体。以一粒盐为例。在原子水平上,它是钠和氯原子的网格状晶格。您可以从晶体的一部分复制并粘贴晶格,然后在其他任何部分找到匹配项。


    但是准周期结构在欺骗。一个例子是称为Penrose平铺的模式。乍看之下,菱形几何形状的瓷砖看起来是规则的图案。但是您不能复制并粘贴此模式。它不会重复。


    材料科学家Dan Schechtman在某些金属合金中发现准周期结构获得了2011年诺贝尔化学奖,并开始了准晶体的研究。


    自2012年以来,Guevara和机械工程学副教授Bart Raeymaekers一直在微观尺度上合作设计具有定制设计结构的材料。他们最初并不打算创建准周期材料-实际上,由数学博士生China Mauck领导的第一个理论实验专注于周期性材料以及使用超声波可能实现的粒子模式。在每个尺寸平面中,他们发现两对平行的超声换能器足以将颗粒排列成周期性结构。


    但是,如果他们又有一对换能器,将会发生什么?为了找到答案,雷伊梅克尔斯和研究生米洛·普里斯布雷(Milo Prisbrey,现在在洛斯阿拉莫斯国家实验室)提供了实验仪器,数学教授埃琳娜·切尔卡耶夫(Elena Cherkaev)提供了准晶体数学理论的经验。Guevara和Mauck进行了理论计算,以预测超声换能器将产生的模式。


    创建准周期模式


    切尔卡耶夫说,准周期模式可以认为是使用“剪切并投影”技术而不是剪切粘贴方法。


    如果您使用剪切和投影来设计直线上的准周期性图案,则将从平面上的正方形网格开始。然后绘制或切割一条线,使其仅通过一个网格节点。这可以通过使用无理数(例如pi)以不合理的角度画线来完成,pi是一个永无止境的数字序列,不会重复。然后,您可以在直线上投影最近的网格节点,并确保直线上的点之间的距离的模式永远不会重复。它们是准周期的。


    该方法在二维平面中类似。切尔卡夫说:“我们从高维空间中的网格或周期函数开始。” “我们在这个空间上切平面,并遵循类似的程序将周期函数限制为无理的二维切片。” 如本研究中所述,当使用超声换能器时,换能器会在那个较高维度的空间中生成周期性信号。


    研究人员以八边形停车标志布置设置了四对超声换能器。格瓦拉说:“我们知道这将是最简单的设置,可以证明拟周期的粒子排列。” “我们对用于驱动超声换能器的信号的控制也很有限;实际上,我们只能使用信号或其负信号。”


    在这个八角形的装置中,研究小组放置了悬浮在水中的小碳纳米颗粒。换能器打开后,超声波将碳颗粒引导到位,从而产生类似于Penrose平铺的准周期模式。


    格瓦拉说:“一旦进行了实验,我们就将结果与理论预测值进行了比较,并取得了很好的共识。”


    定制材料


    下一步将是实际制造具有准周期图案布置的材料。Guevara说,如果颗粒悬浮在聚合物中而不是水中,一旦颗粒就位就可以固化或硬化,这将不是一件容易的事。


    Guevara说:“至关重要的是,通过这种方法,我们可以选择2-D或3-D准周期性材料,并且可以具有基本上任何常见的准周期性对称性。” 。


    这些材料可能会做些什么,但最终的应用可能是创建可以操纵电磁波的材料,就像今天的5G蜂窝技术所使用的那样。切卡耶夫说,准周期性材料的其他已知应用包括因其低摩擦系数而产生的不粘涂层和隔热隔离的涂层。


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