뉴턴의 운동 법칙을 무시하는 스마트 재료 모델

비전통적인 특성을 지닌 혁신적인 메타물질은 전기 신호를 사용하여 고체를 가로지르는 에너지 파동의 방향과 강도를 제어합니다. 단일 질량 밀도를 갖는 이 혁신적인 메타물질은 힘과 가속도가 같은 방향으로 가지 않는다는 점에서 뉴턴의 두 번째 법칙에서 벗어난다. Huang은 레이더 파 제어 또는 항공기의 난기류 진동 관리와 같은 군사 및 상업적 용도에서 교량 및 파이프라인과 같은 구조물의 상태 모니터링과 같은 민간 용도에 이르기까지 광범위한 응용 프로그램을 구상하고 있습니다.

미주리 대학교 연구원들은 에너지 파동의 방향과 강도를 제어할 수 있는 작고 가벼운 에너지 메타물질의 프로토타입을 설계했습니다.

미주리 대학의 Guoliang Huang 교수는 전기 신호를 사용하여 에너지 파동의 방향과 강도를 제어할 수 있는 프로토타입 메타물질을 개발했습니다. 이 혁신적인 소재는 군사 및 상업 부문에 잠재적으로 응용할 수 있으며 교량 및 파이프라인의 구조적 상태를 모니터링하는 데에도 사용할 수 있습니다.

10년 이상 동안 Guoliang Huang, Huber 및 Helen Croft 미주리 대학교 공학과장은 “[{” attribute=””>metamaterials” — an artificial material that exhibits properties not commonly found in nature as defined by Newton’s laws of motion — in his long-term pursuit of designing an ideal metamaterial.

Huang’s goal is to help control the “elastic” energy waves traveling through larger structures — such as an aircraft — without light and small “metastructures.”

The prototype metamaterial uses electrical signals transported by these black wires to control both the direction and intensity of energy waves passing through a solid material. Credit: University of Missouri

“For many years I’ve been working on the challenge of how to use mathematical mechanics to solve engineering problems,” Huang said. “Conventional methods have many limitations, including size and weight. So, I’ve been exploring how we can find an alternative solution using a lightweight material that’s small but can still control the low-frequency vibration coming from a larger structure, like an aircraft.”

Guoliang Huang. Credit: University of Missouri

Now, Huang’s one step closer to his goal. In a new study published in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) on May 18, Huang and colleagues have developed a prototype metamaterial that uses electrical signals to control both the direction and intensity of energy waves passing through a solid material.

Potential applications of his innovative design include military and commercial uses, such as controlling radar waves by directing them to scan a specific area for objects or managing vibration created by air turbulence from an aircraft in flight.

“This metamaterial has odd mass density,” Huang said. “So, the force and acceleration are not going in the same direction, thereby providing us with an unconventional way to customize the design of an object’s structural dynamics, or properties to challenge Newton’s second law.”

This is the first physical realization of odd mass density, Huang said.

“For instance, this metamaterial could be beneficial to monitor the health of civil structures such as bridges and pipelines as active transducers by helping identify any potential damage that might be hard to see with the human eye.”

Reference: “Active metamaterials for realizing odd mass density” by Qian Wu, Xianchen Xu, Honghua Qian, Shaoyun Wang, Rui Zhu, Zheng Yan, Hongbin Ma, Yangyang Chen and Guoliang Huang, 18 May 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2209829120

Other MU contributors include Qian Wu, Xianchen Xu, Honghua Qian, Shaoyun Wang, Zheng Yan and Hongbin Ma. Grants from the Air Force Office of Scientific Research and the Army Research Office funded the research.