Questo metamateriale è in grado di modellare i suoni

Un meta-materiale presenta caratteristiche non riscontrabili in natura, create a tavolino per un particolare scopo. Quelli che ci hanno appassionato di più sono in grado di modellarsi da soli o di fornire l'aria condizionata senza bisogno di condizionatori. Un nuovo lavoro pubblicato dal team del ricercatore Gianluca Memoli dell'INTERACT Lab della Università del Sussex, invece, esplora la possibilità di realizzare un metamateriale per dare forma al suono.

L'aspetto innovativo del progetto è quello di essere composto da un numero finito di "mattoncini" predefiniti che consentono a una superficie — o meglio una meta-superficie — di assumere le forme più disparate in modo da poter assolvere a compiti differenti.

Mi sono fatto spiegare direttamente da Memoli cos'è una meta-superficie; "è un meta-materiale 2D, ovvero con una delle dimensioni (lo spessore) molto più piccola delle altre. La novità nel nostro lavoro è che per realizzare le meta-superfici abbiamo sviluppato mattoncini che possono assumere solo un certo numero di stati pre-definiti… e sono quindi quantizzati. Il vantaggio è che ne bastano 16 per trasformare un suono in ingresso in una qualunque forma si voglia — così come bastano 26 lettere per formare tutte le parole," ha continuato Memoli. "L'idea di usare metamateriali per dare forma al suono non è nuova. Prima di noi, però, l'approccio era "usa e getta": realizzare un metamateriale specifico per una specifica applicazione."

I mattoncini realizzati dal team di Memoli vengono utilizzati per realizzare i cosiddetti Space Sound Modulator (SSM), ovvero "uno strumento che trasforma un suono in ingresso in qualunque suono in uscita… proprio come farebbe un SLM (space light modulator) con la luce. Gli SLM si trovano dovunque: sono la tecnologia alla base dei proiettori moderni. Ecco, noi "subiamo" il rumore o "selezioniamo" i suoni che ci piacciono (ad esempio, con delle cuffie): sarebbe bello avere strumenti che ci permettano di gestire la direzione del suono 'on demand'."

Le applicazioni della tecnologia creata da Memoli sono molteplici. Come sottolineato dal ricercatore, "al momento, noi usiamo sorgenti fatte di multipli altoparlanti, come per esempio i transducer arrays [ovvero, gli strumenti necessari per controllare il livello sonoro di un determinato ambiente e agirvi sopra di conseguenza NdR] per dare forma al suono praticamente ovunque: durante un esame a ultrasuoni  (per creare un raggio acustico che si muova in un determinato volume), in un concerto rock (per diffondere il suono uniformemente in un Dolby Surround), per determinare eventuali crepe nell'ala di un aereo (il non-destructive testing, anche noto come NDT), nei sonar e, più recentemente, per curare il cancro usando ultrasuoni (HIFU, che sta per high intensity focused ultrasound)."

"In tutte queste tecnologie, per ottenere l'effetto voluto, gli altoparlanti devono essere controllati uno per uno. Ecco, noi pensiamo che meta-superfici fatte di mattoncini potranno un giorno semplificare l'elettronica necessaria e ridurre la perdita di energia del singolo altoparlante (10-15%)," ha continuato lo scienziato, spiegando anche il tipo di campi che sono riusciti a riprodurre. "Abbiamo realizzato metasuperfici che fanno cambiare direzione al suono (reticoli di diffrazione) o lo focalizzano (lenti). Messe insieme, una sull'altra, queste riescono a creare un fuoco fuori dall'area della lente: una possibilità che i transducer arrays non riescono a ottenere senza creare artefatti."

Il team ha sfruttato il materiale anche per la levitazione acustica, "la levitazione acustica si basa sul fatto che, in aria, particelle/goccioline più piccole della lunghezza d'onda del suono (8.6 mm alla frequenza utilizzata da noi di 40 kHz) fuggono le zone di alta intensità sonora e si dirigono verso i nodi del campo, ovvero le zone con minore intensità sonora, proprio come faremmo noi per scappare da un rumore non desiderato. Abbiamo usato la levitazione acustica per far vedere che potevamo dare al suono la forma di una "bottiglia rovesciata," ovvero, una zona con un campo potente nell'intorno (l'equivalente del vetro), zero campo all'interno e una zona di campo più forte — il "collo" — in basso. Tecniche simili sono state utilizzate in ottica per intrappolare gli atomi sfruttati negli orologi atomici più precisi."

Le forme che può assumere il metamateriale sono controllate tramite un algoritmo per la fabbricazione delle meta-superfici, Memoli mi ha spiegato il suo funzionamento "immaginiamo che tu mi richieda: voglio che il suono prodotto da questo altoparlante curvi, per esempio, dietro questo angolo. Allora io chiederei: con quanta precisione vuoi realizzare questo effetto? Dove vogliamo la metasuperficie? Stabilite queste cose, si usa un algoritmo per trasformare il campo voluto nelle equivalenti modifiche che avvengono alla superficie: una specie di rewind che riconduce i raggi acustici alla superficie e decide quanto ritardo deve essere dato in ogni punto al raggio locale. È lo stesso metodo che si usa in ottica per gli ologrammi."

A questo punto, entrano in gioco i mattoncini: "ognuno di questi introduce un ritardo locale al suono che ci passa attraverso — il suono impiega tempo per attraversare il labirinto dentro ogni mattoncino. Dopodiché chiederei: quanti tipi di mattoncini vuol usare? E qui sfruttiamo la nostra idea di trattare la ricetta come un'immagine a cui applicare le tecniche di compressione (come la JPEG consente di comprimere le foto). In alternativa, il nostro algoritmo prevede di poter costruire in altezza — mettendo più metasuperfici una sull'altra — in certi casi, questo metodo può rivelarsi più efficiente della compressione." L'obiettivo futuro dei ricercatori è "rendere i mattoncini modificabili tramite computer, per gestire il suono 'on demand'."