Cristal fónico

Post  240 - 13 de Enero de 2010 - Categoría: Teoría acústica.

 

A veces se producen curiosas relaciones entre áreas tan distantes como la Ciencia y el Arte. El Minimalismo es una tendencia en arte moderno basado en la repetición. En determinadas condiciones, las esculturas minimalistas producen interferencias destructivas del sonido, como ocurre en otros casos para la luz.

 

Un cristal fotónico es un cristal con agujeros rellenos de aire. Su índice de refracción efectivo se puede controlar gracias a la geometría y distribución de los agujeros lo que permite diseñar dispositivos ópticos (fotónicos) a medida.


Un cristal fonónico es un material con agujeros rellenos de aire de dimensiones tales que se comporta ante ondas sonoras como lo hace un cristal fotónico ante luz. Un cristal fotónico presenta bandas prohibidas (bandgaps) en las que la luz a ciertas frecuencias (colores) no puede propagarse. Un cristal fonónico también las presenta y puede bloquear la transmisión de sonido a ciertas frecuencias.

 

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La teoría es sencilla y la verificación experimental, utilizando ultrasonidos, también, como han demostrado Valentin Leroy y coautores en Applied Physics Letters. Quizás en un futuro se podrá extender este trabajo a frecuencias audibles (de 20 Hz a 20 KHz) para el desarrollo de nuevos materiales anecoicos para insonorización y ambientación acústica. Nos lo cuenta Edwin L. Thomas, “Applied physics: Bubbly but quiet,” News and Views, Nature 462: 990-991, 24 December 2009. El artículo técnico es Valentin Leroy, Alice Bretagne, Mathias Fink, Hervé Willaime, Patrick Tabeling, Arnaud Tourin, “Design and characterization of bubble phononic crystals,” Applied Physics Letters 95: 171904, 2009.


Pero se debe decir que en España también se está estudiando este fenómeno, desde 1999 por la Unidad Asociada al Consejo Superior de Investigaciones Científicas que dirige Jaime Llinares, con los equipos de Francisco Meseguer (CSIC-UPV) y José Sánchez Dehesa (Universidad Autónoma de Madrid), y que han determinado que cualquier distribución de cilindros en forma regular es capaz de provocar interferencias y destruir el ruido si se conoce la frecuencia en la que actúa.


Los cristales fotónicos (para la luz) o fonónicos (para el sonido) son materiales formados por una distribución regular de elementos básicos repetidos que permiten que las ondas que inciden sobre ellos con cierta frecuencia sufran una interferencia destructiva (cuando el periodo de repetición coincide con el periodo de las ondas incidentes). Estos materiales presentan un bandgap similar al que presentan los materiales semiconductores (entre las bandas de valencia y conducción para los electrones). Igual que los semiconductores han revolucionado la tecnología durante la segunda mitad del s. XX, se espera que los materiales fotónicos (y fonónicos) la revolucionen en la primera mitad del s. XXI.


¿Cómo tendría que ser un material fonónico para bloquear sonidos audibles? El periodo tendría que ser muy grande y la estructura, si fuera una pared, por ejemplo, tendría que tener un grosor del orden de un metro. Hay un ejemplo de una estructura de este tipo en Madrid. El escultor Eusebio Sempere, sin intención de lograrlo, que se sepa, construyó un cristal fonónico en su obra Órgano, que podéis ver en el jardín de la Fundación Juan March en Madrid. Esta estructura está realizada con tubos de 3 cm. de diámetro dispuestos en una estructura periódica con una distancia de 10 cm. entre los centros de los tubos, formando un círculo en una plataforma de 4 m. de diámetro. Este cristal fonónico tiene un bandgap alrededor de la frecuencia (audible) de 1,6 kHz.

 

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Escultura de Eusebio Sempere, en Madrid, donde se realizó el primer experimento en la atenuación de sonido en 1995.


Leroy y sus colegas han desarrollado su cristal fonónico utilizando burbujas (agujeros) en un material elástico (de goma), en concreto un elastómero llamado polidimetilsiloxano (PDMS), C2H6OSi. Para fabricar la distribución de las burbujas han utilizado varias capas (4) de este material agujereado (agujeros de diámetro 80 μm.) interpuestas con capas no agujereadas (separadas 360 μm.). Las burbujas son pequeños cilindros en lugar de pequeñas esferas pero el resultado es prácticamente el mismo: han logrado atenuar en un factor de 1000 ondas sonoras (ultrasonidos) de una frecuencia centrada en 250 kHz.


El trabajo de Leroy et al. será secundado con toda seguridad por muchos investigadores que demostrarán toda su imaginación a la hora de diseñar todo tipo de geometrías (tanto de agujeros como de distribución espacial), igual que ha ocurrido recientemente con las cristales fotónicos. Seguro que gran número de sorpresas nos esperan.

 

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Barras de metal vistas desde abajo

 

Eco de:
Francis (th)E mule Science's

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