Dispositivos fonónicos para el control del sonido y del calor

 

Dibujo20131119 Phononic crystals - sound and heat revolutions in phononics - nature12608-f2

La luz es transmitida por el fotón y la electricidad por el electrón. El sonido y el calor son transmitidos por el fonón. La fonónica y los dispositivos fonónicos son las versiones con fonones de la fotónica y los dispositivos fotónicos. Los metamateriales están de moda en óptica, pero también hay metamateriales acústicos, que pueden insonorizar habitaciones, mejorar los disipadores de calor o diseñar nuevos materiales termoeléctricos (que convierten el calor en electricidad). En la actualidad los dispositivos fonónicos cubren gran parte del espectro fonónico emulando la diversidad de dispositivos fotónicos que usan el espectro electromagnético. Nos lo cuenta Martin Maldovan, “Sound and heat revolutions in phononics,” Nature 503: 209–217, 14 Nov 2013.

Dibujo20131119 The phononic spectrum - nature12608-f1

El sonido y el calor son vibraciones mecánicas transmitidas a través de un medio, por ejemplo, la red atómica de un sólido. La diferencia más clara es que las ondas sonoras oscilan a frecuencias bajas (kilohercios) y se propagan a grandes distancias, mientras que las ondas de calor oscilan a frecuencias altas (terahercios) y se propagan a cortas distancias. Pero el espectro fonónico es continuo, desde los infrasonidos (hercios) a las ondas térmicas (terahercios), pasando por los sonidos audibles (kilohercios), los ultrasonidos (megahercios) y los hipersonidos (gigahercios). Los llamados cristales fonónicos (estructuras periódicas artificiales microestructuradas) permiten cubrir gran parte del espectro fonónico. La microestructura introduce una banda prohibida (bandgap), similar a la que aparece en los cristales fotónicos o en los materiales semiconductores, que permite desarrollar muchos dispositivos análogos a los equivalentes ópticos y electrónicos, como filtros sónicos, aislantes sonoros, guías de onda o cavidades resonantes.

Dibujo20131119 Acoustic diode - Phononic crystal - nature12608-f3

Un ejemplo son los diodos sónicos. En electrónica, un diodo es un dispositivo que permite que la corriente eléctrica pase en un sentido, pero no en el opuesto. Lo mismo se puede lograr con sonidos en lugar de con electricidad. Imagina una pared que deje pasar el sonido que llega por un lado, pero no por el otro. Ya se ha fabricado un cristal fonónico unidimensional de 1 mm de espesor que se comporta como un diodo para ultrasonidos (megahercios), que utiliza un efecto no lineal llamado generación del segundo armónico. Como ilustra esta figura, una onda de sonido que incide por la izquierda, con una frecuencia dentro de la banda prohibida del cristal fonónico, se transforma en un sonido una octava más alto (su frecuencia se duplica). Pero si la onda sonora incide por la derecha, no puede atravesar la estructura y se refleja sin más.

Dibujo20131119 Acoustic cloaking - Phononic crystal - nature12608-f4

Otro ejemplo son las capas de camuflaje (o “invisibilidad”) acústicas. Igual que en el caso óptico, la idea es crear una capa que guía las ondas sonoras entorno a un objeto de tal manera que el sonido no se ve afectado por la presencia del objeto, que resulta indetectable. Para ello se usan metamateriales acústicos, en los que las propiedades elásticas, el módulo de comprensibilidad o la densidad, son no homogéneas o anisotrópicas. Se han fabricado tanto capas acústicas de camuflaje bidimensionales para ultrasonidos como tridimensionales para frecuencias audibles (aunque sólo para objetos de tamaño milimétrico).

Dibujo20131119 Enhancing sound–light interaction - Phononic crystal - nature12608-f5

También se han desarrollado dispositivos optoacústicos, que acoplan fonones y fotones. Por ejemplo, una cavidad óptica también puede ser una cavidad acústica, de tal forma que un modo óptico localizado de forma espacial se puede acoplar a un modo acústico también localizado. Usando un material con una estructura periódica con un espaciado de 150 nm se pueden localizar fotones de 500 THz y fonones de 20 GHz. Este confinamiento simultáneo de fonones y fotones en una sola cavidad permite incrementar las interacciones acústico-ópticas, lo que permite desarrollar un gran número de nuevos dispositivos que integran luz y sonido sin necesidad de transductores.

Dibujo20131119 Thermal diodes - Phononic crystal - nature12608-f6

No sólo hay dispositivos fonónicos en el espectro acústico, también en el término. Esta figura ilustra un diodo térmico, que permite la transmisión unidireccional de calor. Estos dispositivos son más difíciles de fabricar que los acústicos, pues hay que controlar fonones de alta frecuencia (terahercios) fonones. Este diodo térmico teórico está formado por una cadena unidimensional de átomos sujeta a dos potenciales sinusoidales no lineales adyacentes. En la dirección de avance (TL > TR), el espectro de ambas cadenas de átomos está solapado, permitiendo el flujo de calor a través de la estructura; en la dirección inversa (TL < TR), los espectros de las frecuencias de vibración de estas redes no se solapan y el calor no puede fluir a su través. Este modelo teórico ha sido fabricado utilizando un nanotubo de carbono adyacente a un nanotubo de nitruro de boro, aunque su comportamiento no es idéntico al modelo teórico (en inversa se propaga entre el 2% y el 7% del calor).

Dibujo20131119 thermal metamaterials - phononics - nature12608-f7

También se han desarrollado capas de camuflaje térmicas, que permiten mantener una cierta región a temperatura constante incluso cuando se aplica un gradiente térmico exterior (como muestra esta figura). A escala macroscópico este tipo de dispositivos tienen poco interés, pero a escala microscópica pueden ser muy útiles. El control del flujo de calor es importante en los microcircuitos y nanocircuitos, donde uno de las limitaciones más importantes es la disipación de calor. 0

En resumen, recomiendo la lectura del artículo de Maldovan, pues sorprenderá a muchos la cantidad de dispositivos acústicos y térmicos que se pueden desarrollar gracias a los cristales fonónicos y a los metamateriales fonónicos. Las analogías en Física además de muy sugerentes, siempre han sido muy útiles. Quizás estamos asistiendo a toda una revolución tecnológica en los campos de la ingeniería acústica y térmica tanto en la microescala como en la nanoescala.

PS (21 Nov 2013): En Science también nos habla brevemente de los metamateriales en acústica Martin Wegener, “Metamaterials Beyond Optics,” Science 342: 939-940, 22 Nov 2013.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 20 noviembre, 2013
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