Suchen

Phononische Kristalle Riesenkristalle als Schallschlucker

| Autor/ Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

Kristallstrukturen sind eigentlich nur unter dem Mikroskop zu erkennen. Außer man baut sie in einem makroskopischen Modell nach. Dies haben Forscher der Empa getan – aber nicht zwecks Veranschaulichung, sondern weil die Struktur bemerkenswert gut Schallfrequenzen filtert. Damit lassen sich z.B. abhörsichere Scheiben bauen.

Firmen zum Thema

Das „Kryptographie-Fenster“ ist eine mögliche Anwendung für phononische Kristalle. Es verfälscht Sprache rein mechanisch – ohne Elektronik oder Strom.
Das „Kryptographie-Fenster“ ist eine mögliche Anwendung für phononische Kristalle. Es verfälscht Sprache rein mechanisch – ohne Elektronik oder Strom.
(Bild: Gian Vaitl / Empa)

Dübendorf/Schweiz – Die Welt der Kristalle bietet viele interessante Eigenschaften: Kristalle können etwa in Einwegfeuerzeugen elektrische Funken schlagen, sie können polarisiertes Licht herstellen und sie können gebündelte Röntgenstrahlen in tausende Einzelreflexe zerlegen, die in alle Raumrichtungen gestreut werden.

Manche dieser Eigenschaften bleiben auch dann erhalten, wenn man die atomaren Kristallstrukturen 100-millionenfach vergrößert und die Kristalle maßstabsgetreu nachbaut. Dies machen sich Physiker seit einigen Jahren zu Nutze: Wenn die Originalkristalle sehr kurzwellige Röntgenstrahlen streuen, können die vergrößerten Kopien langwellige Schwingungen in alle Richtungen streuen. Damit ergibt sich ein sehr eleganter Weg für Vibrationsdämpfung. Vergrößerte Kristallstrukturen mit solchen akustischen Eigenschaften nennt man phononische Kristalle.

Bildergalerie

Aus tiefen Tönen wird leise Wärme

Andrea Bergamini und seinem Team der Empa-Abteilung Akustik / Lärmminderung ist es nun gelungen, zusätzliche Eigenschaften in die Kristalle zu integrieren, die im Ursprung nicht vorhanden waren. Die Forscher bauten kleine, drehbare Teller in die Kristallstrukturen, die in der Lage sind, Schwingungen entlang der Längsachse in Drehbewegungen umzusetzen. Erstmals lässt sich damit eine unerwünschte Schwingung nicht nur in verschiedene Raumrichtungen streuen, sondern auch in Wärmeenergie umwandeln. Da auch Schallwellen Schwingungen sind, lassen sich mit dieser Konstruktion bestimmte Frequenzen von Tönen herausfiltern. Jedenfalls, wenn die phononischen Kristalle in der richtigen Konfiguration aufgebaut sind.

Drehrichtung bestimmt Funktionalität

Wenn man mehrere der Drehteller im Kristall schichtweise miteinander koppelt, geht das auf zwei verschiedene Arten: entweder drehen alle Teller gemeinsam in die gleiche Richtung (isotaktische Anordnung) oder sie sind in ihren Drehrichtungen abwechselnd miteinander verbunden (syndiotaktische Anordnung).

Die Ergebnisse unterscheiden sich dramatisch: die syndiotaktische ABAB-Anordnung der Drehrichtung erzeugt eine so genannte Bandlücke in den Frequenzen. Ein breiter Bereich von Schwingungen wird also von der Dreh-Mechanik „verschluckt“ und nicht durch den Kristall hindurch weitergegeben.

Demgegenüber erzeugt die isotaktische AAAA-Anordnung der Drehbewegungen neue Wellen mit ähnlicher Frequenz, die durch den Kristall weitergegeben werden. Ein mechanisches Bauteil mit bestimmter Geometrie bestimmt also darüber, ob der Kristall isoliert oder leitet.

Das „Kryptographie-Fenster“

Wie aber lassen sich solche Schwingungsfrequenz-Bandlücken nutzen? Inzwischen ist im Labor ein erstes Modell entstanden, das eine mögliche Funktion phononischer Kristalle zeigt: Bergamini baute ein Fenster aus zwei Plexiglas-Scheiben, in das syndiotaktische Drehteller integriert sind. Die Größe der Teller ist auf die Frequenz der menschlichen Sprache abgestimmt. Die Idee: wenn bestimmte Frequenzen aus der Sprache herausgefiltert werden, wird der Inhalt für Zuhörer unverständlich. Das menschliche Gehirn kann die akustischen Informationen nicht mehr zu einem Sinn zusammensetzen.

Erste Tests im Akustik-Labor zeigen, wie viel Potenzial in der Idee steckt: Man kann die sprechenden Personen deutlich sehen und auch gedämpft hören, wer gerade spricht. Doch vom gesprochenen Text ist kein einziges Wort zu verstehen.

Schallisolation leicht gemacht?

Bergamini und seine Kollegen erwarten, dass transparente, phononische Kristalle für Architekten und Innenarchitekten interessant sein könnten. Mithilfe dieses physikalischen Tricks lassen sich formfeste, steife Baustoffe herstellen, die Schall sehr gut isolieren und dabei bis zu 100 mal leichter sein können als andere phononische Isolatoren mit der gleichen Wirkung. Auch im Maschinenbau, im Flugzeugbau und im automobilen Leichtbau könnte das Herausfiltern störender Frequenzen mit leichten Designer-Dämmstoffen eine große Rolle spielen.

Originalpublikation: A Bergamini, M Miniaci, T Delpero, D Tallarico, B Van Damme, G Hannema, I Leibacher, A Zemp: Tacticity in chiral phononic crystals, Nature Communications volume 10, Article number: 4525; DOI: 10.1038/s41467-019-12587-7

* R. Klose, Empa Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46184955)