Los científicos se inspiran en la piel de tiburón para un nuevo material inteligente

Los denominados «metamateriales acústicos» están diseñados específicamente para controlar y manipular las ondas sonoras, generalmente con el propósito de amortiguar o transmitir el sonido. Pero tal dispositivo acústico solo puede realizar la función para la que fue creado, como amortiguar el sonido saliente en un submarino, por ejemplo. Ese mismo dispositivo no puede ser reutilizado para comunicarse con otro buque que pase si la situación a bordo del submarino lo requiere; debe utilizarse un dispositivo acústico diferente, desarrollado expresamente para tal fin.

Ahora un equipo de científicos de la Universidad del Sur de California ha desarrollado un metamaterial acústico que puede cambiar entre diferentes usos mediante la aplicación de campos magnéticos cuidadosamente adaptados, según un nuevo artículo de la revista Research. La estructura de estos nuevos metamateriales se inspiró en la inusual estructura de la piel de tiburón. Se pueden usar para imitar la función de interruptores, puertas lógicas o diodos, elevando la posibilidad de un sonido «computadora».

Un «metamaterial» se define técnicamente como cualquier material cuya estructura microscópica puede doblar la luz de manera que normalmente no se dobla. Esa propiedad se llama un índice de refracción, es decir, la relación entre la velocidad de la luz en un vacío y la rapidez con que viaja la parte superior de la onda de luz.

Los materiales naturales tienen un índice positivo de refracción; ciertos metamateriales hechos por el hombre, sintetizados por primera vez en el laboratorio en 2000, tienen un índice negativo de refracción, lo que significa que interactúan con la luz de tal manera que doblan la luz incluso en ángulos muy agudos. (Esto los hace ideales para aplicaciones de ocultación, ya que cualquier «capa de invisibilidad» debe ser capaz de doblar ondas electromagnéticas alrededor de lo que se supone que está ocultándose). Los metamateriales acústicos son conceptualmente muy similares, excepto para las ondas sonoras en lugar de la luz.

La piel de un tiburón se siente suave si acaricias de nariz a cola. Invierte la dirección, sin embargo, y se siente como papel de lija. Esto se debe a pequeñas escamas translúcidas, de aproximadamente 0,2 milímetros de tamaño, llamadas «dentículos» (porque se asemejan fuertemente a los dientes) en todo el cuerpo del tiburón, especialmente concentradas en los flancos y aletas del animal. Es el secreto de cómo pueden nadar tan rápido. Los tiburones Mako, por ejemplo, pueden nadar tan rápido como 70 a 80 mph gracias a un aspecto pasivo distinto de «cerdas» en algunas de sus escalas.

El año pasado, informamos sobre el trabajo de la ingeniera Amy Lang de la Universidad de Alabama con biólogos de la Universidad del Sur de Florida para crear imágenes de la piel de tiburón y trazar las escalas, señalando particularmente cuántas de las escalas eran capaces de esta cerda pasiva y los ángulos en los que se produce dicha cerda. Encontraron que cerca de los flancos y aletas, las escamas son mucho más flexibles. Eso tiene un profundo efecto en el grado de arrastre de presión que el tiburón mako encuentra mientras nada.

Los dentículos de la piel de tiburón pueden flexionarse en ángulos superiores a 40 grados de su cuerpo, pero solo en la dirección de revertir el flujo (es decir, de la cola a la nariz). Esto controla el grado de separación del flujo, similar a los hoyuelos de una pelota de golf. Los hoyuelos, o escamas en el caso del tiburón mako, ayudan a mantener el flujo unido alrededor del cuerpo, reduciendo el tamaño de la estela. Una pelota de golf con hoyuelos viajará un 30 por ciento más lejos cuando la golpee que si la misma pelota fuera suave. La misma reducción de arrastre de presión es válida para pieles de tiburón suaves y escamadas.

Esa capacidad incorporada de esencialmente «sintonizar» el grado de arrastre es lo que llamó la atención de los científicos de la USC, quienes pensaron que un metamaterial acústico podría construirse a lo largo de líneas similares para lograr múltiples propiedades con un solo dispositivo acústico. «Con los metamateriales acústicos tradicionales, se crea una estructura y se logra una propiedad. Con este nuevo material inteligente, podemos lograr múltiples propiedades con una sola estructura», dijo el coautor Qiming Wang.

Moldean los pilares de caucho de silicona líquida (para garantizar la flexibilidad) combinado con nanopartículas de hierro, curando la mezcla durante aproximadamente cinco horas antes de retirarlos de los moldes. El secreto para bloquear o transmitir sonido radica en la estructura: en este caso, el espacio entre una matriz de pilares. Coloca los pilares juntos, y atraparán las ondas sonoras en lugar de dejarlas pasar. Colóquelos más separados, y el sonido puede propagarse a través del material.

Las nanopartículas de hierro hacen que el material se doble en respuesta a campos magnéticos externos. «Utilizamos el campo magnético externo para doblar el pilar y desenroscar el pilar para lograr este tipo de cambio de estado», dijo el coautor Kyung Hoon Lee. Esto permite que el material cambie de ida y vuelta entre la amortiguación y la transmisión de ondas sonoras.

Esto tiene algunas aplicaciones potenciales útiles. Wang et al. fueron capaces de obtener el material para imitar un interruptor, para , como los que se encuentran en los auriculares con cancelación de ruido. Los pilares se pueden doblar para permitir que el ruido exterior pase a través, mientras que al apagar el campo magnético los devuelve a su posición vertical, bloqueando el ruido externo. También encontraron que su nuevo material podría imitar un diodo, en el que las ondas sonoras solo pueden viajar en una dirección. A diferencia de los metamateriales acústicos convencionales, esta nueva clase puede cambiar entre la transmisión de sonido unidireccional y bidireccional simplemente sintonizando el campo magnético, útil para el camuflaje sónico (por ejemplo, una «capa de invisibilidad» sónica para submarinos), por ejemplo.

Aún más intrigante, el equipo fue capaz de imitar simples puertas lógicas de toma de decisiones (un operador de puerta AND y un operador de puerta OR) para responder a diferentes condiciones. Por ejemplo, según Wang, un submarino que quería que un dispositivo acústico activara (o no disparara) un comando de ataque (o, alternativamente, huyese) normalmente necesitaría tener un dispositivo para crear un operador para cada condición usando metamateriales acústicos estándar, que no se pueden cambiar una vez que han sido creado. Esta nueva clase, sin embargo, permite cambiar entre los operadores de puertas AND y OR a petición mediante el ajuste del campo magnético.

Hasta ahora, el equipo de USC sólo ha probado su metamaterial en el aire. El siguiente paso es probar qué tan bien funciona en el agua, utilizando ondas de sonido en el rango de frecuencia ultrasónica. Por supuesto, la piel de tiburón que inspiró el nuevo material funciona bien en el agua, menos en el aire, pero es más una cuestión de qué tan bien funciona la manipulación del campo magnético en un medio diferente. «El caucho es hidrofóbico, por lo que la estructura no cambiará, pero tenemos que probar si los materiales aún tendrán sintonizabilidad bajo un campo magnético externo», dijo Wang.

DOI: Investigación, 2020. 10.34133/2020/4825185 (Acerca de los DOI).

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