Das We-Xite-Labor für Wellenengineering unter der Leitung von Osama R. Bilal, Professor für Ingenieurwesen, hat ein neuartiges, umkonfigurierbares Metamaterial entwickelt, das in der Lage ist, Schallwellen zu kontrollieren, sie zu biegen, zu dämpfen oder zu fokussieren und dabei nahezu unendlich viele Formen in Echtzeit zu erzeugen. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Eigenschaften und Anwendungen des Metamaterials

„Metamaterialien sind künstliche Materialien, die außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nur schwer zu finden sind,“ erklärt Melanie Keogh, Doktorandin und erste Autorin der Studie. In diesem Fall wollte das Forschungsteam ein Material entwickeln, das Schallwellen steuern kann, während es sowohl in der Frequenz als auch in der Funktion anpassbar ist. Dieses Material besitzt potenzielle Anwendungen in Bereichen von der medizinischen Bildgebung bis hin zur Schalldämmung.

Das Metamaterial besteht aus asymmetrischen Säulen mit einer oder mehreren konkaven Flächen, die einer Apfelschale ähneln. Diese Säulen sind in einem 11×11-Raster angeordnet, wobei Motoren die Ausrichtung jeder Säule steuern. Die Motoren sind präzise abgestimmt und ermöglichen eine Kontrolle der Ausrichtung in 1-Grad-Drehincrements.

Wenn Schallwellen durch das Material geschickt werden, prallen sie von den Konkavitäten der Säulen ab. Da jede Säule individuell eingestellt werden kann, ergeben sich nahezu unendlich viele potenzielle Wege, die Schallwellen durch das Raster nehmen können. Dies bedeutet, dass das Material die Wirkung von Schallwellen verstärken kann, indem es sie auf einen einzigen Punkt fokussiert.

Potenzieller Einfluss auf Wissenschaft und Medizin

„Stellen Sie sich einen Gehirntumor vor – etwas, das Sie zerstören möchten, aber gleichzeitig können Sie nicht mit einem Skalpell daran gehen. Sie können zu Beginn auch nicht mit sehr hochintensivem Schall arbeiten,“ erklärt Bilal. „Sie benötigen sehr niederfrequente Wellen, die nur auf einen einzigen Punkt fokussiert werden und danach sich wieder ausbreiten. Dadurch können Sie einen Tumor schwächen oder einen Nierenstein angreifen, oder Sie können kleine Partikel im menschlichen Körper manipulieren, die Sie ansonsten nicht erreichen könnten.\“

Alternativ kann das entwickelte Metamaterial auch als Plattform genutzt werden, um fundamentale Konzepte der Wellenphysik zu untersuchen. Ein Beispiel dafür sind topologische Isolatoren, Materialien, die elektrische Leitfähigkeit entlang ihrer Grenzen, jedoch nicht durch ihren Kern ermöglichen – ein Konzept, das vor einigen Jahren den Nobelpreis für Physik erhielt. Das Forschungsteam nutzte ihre Metamaterialien, um Schall auf ähnliche Weise zu steuern, was bedeutet, dass Schallwellen entlang der Außenseite des Materials geleitet werden können, ohne in dessen Inneres einzudringen.

Design-Innovationen und Umkonfigurierbarkeit

Keogh erklärt, dass das Forschungsteam die Idee hatte, Zahnräder oder Motoren zu verwenden, um die einzelnen Säulen zu drehen. Dies geschah, um ein hartnäckiges Problem im Ingenieurwesen zu lösen: „Traditionell sind Metamaterialien starr, was bedeutet, dass sie ihre Form nach der Herstellung nicht ändern können.\“ Für ein Metamaterial, das Schall manipuliert, würde dies bedeuten, dass es nur auf einen spezifischen Frequenzbereich „abgestimmt“ werden könnte – was nicht sehr vielseitig ist. Ein festes Metamaterial kann auch völlig ineffektiv werden, wenn es beschädigt wird, selbst durch normale Abnutzung.

Im Gegensatz dazu ermöglicht dieses Metamaterial „die Neuausrichtung oder ‚Abstimmung‘ ohne die Notwendigkeit, das gesamte Material erneut herzustellen,“ sagt Keogh. Da die Motoren elektronisch gesteuert werden können, erleichtern sie die Programmierung des Materials in Echtzeit, kontinuierlich, ohne dass eine neue Herstellung erforderlich ist.

„Ein zusätzlicher, einzigartiger Aspekt dieser Arbeit ist der kombinatorische Ansatz,“ fügt Keogh hinzu, und zeigt, dass die Effekte des Metamaterials noch weiter gesteuert werden können, indem man Säulen in Kombination zueinander orientiert. Zwei, vier oder mehr Säulen, die sich zusammen bewegen, bilden eine „Superzelle“, die den Ingenieuren noch mehr Variablen bietet.

„Wir können mit dieser Plattform viele Tricks ausführen,“ sagt Bilal. „Superzellen kombiniert mit Asymmetrie helfen uns, den Gestaltungsspielraum noch weiter zu erweitern. Das ist ein sehr vielseitiger Ansatz zur Abstimmung von Metamaterialien.“

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Der immense Umfang des Gestaltungsspielraums bringt Herausforderungen mit sich. Bei so vielen potenziellen Konfigurationen der Säulen wäre es unmöglich, manuell zu berechnen, wie jede einzelne die Schallwellen beeinflussen würde. Keogh scherzt, dass, wenn sie jetzt mit der Arbeit beginnen würde, ihre Enkelkinder immer noch mit den Berechnungen beschäftigt wären.

Bilal stellt die Frage: „Wenn Sie die Anzahl der Atome im Universum navigieren müssen, welches wählen Sie aus?“ Das Forschungsteam greift auf KI-Algorithmen und Heuristiken zurück, um zu verstehen, wie das Material Schall durch verschiedene Konfigurationen propagieren wird. „Das Endziel wird ein vollständig autonomes Material sein, das sowohl die Fähigkeit als auch die Intelligenz hat, seine Leistung durch maschinelles Lernen zu optimieren,“ sagt Bilal. „Diese Materialplattform bringt uns einen Schritt näher an unsere Laborvision des Wellenengineerings durch extreme und intelligente Materialien.“

Ein jahrelanger Entwicklungsprozess

Die Zusammenarbeit von Keogh und Bilal begann, als Keogh im Grundstudium Bilals Kurs über Vibrationen belegte. Sie begann, im „We-Xite“-Labor von Bilal zu forschen, nachdem sie von einem anderen Professor stark empfohlen wurde. Keogh sagt, dass sie ursprünglich daran interessiert war, nach ihrem Abschluss in die Industrie zu gehen. Doch während ihrer Forschungserfahrung im Grundstudium wurde ihr klar, dass die Arbeit im Labor oft „Jahre voraus“ ist gegenüber den Lösungen, die in der Industrie implementiert werden.

„Ich möchte an der Spitze stehen,“ sagt sie. „Seit vielen Jahren versuchen wir in unserem Labor, Materialien zu programmieren, um eine bestimmte Funktion zu haben, waren jedoch immer durch die Anzahl der Möglichkeiten, die wir haben können, eingeschränkt,“ sagt Bilal. „Als ich dieses Projekt mit Melanie begann, sagte ich ihr, dass es eine Einschränkung in der Anzahl der Motoren gibt, die wir steuern können. Was geschah, war, dass Melanie, die hervorragend mit Elektronik umgeht … einfach im Labor saß und die gesamte Schaltung für diese Plattform baute. Das ist ein sehr großes Projekt – man muss die Säulen auf eine sehr spezifische, sehr präzise Weise stapeln und jeden einzelnen von ihnen steuern. Sie tat es auf die wunderbarste Art und Weise, die man sich vorstellen kann.“

„In meinen Augen beschreibt dies das, worum es bei UConn geht,“ fügt er hinzu. „Junge Ingenieure auszubilden, die sich zu professionellen, weltklasse Wissenschaftlern entwickeln, ist eines der ergreifendsten Elemente meiner Professur.“

Weitere Informationen: Melanie R. Keogh et al, Kombinatorische asymmetrische akustische Metamaterialien mit Echtzeit-Programmierung, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2502036122.