Nowy pakiet oprogramowania opracowany przez naukowców z Macquarie University potrafi dokładnie modelować sposób, w jaki fale – dźwiękowe, wodne lub świetlne – ulegają rozpraszaniu, gdy napotykają złożone konfiguracje cząstek.
Znacznie poprawi to możliwość szybkiego projektowania metamateriałów — niezwykłych materiałów sztucznych służących do wzmacniania, blokowania lub odchylania fal.
Wyniki badań opublikowane 19 czerwca 2024 r. w czasopiśmie Proceedings of the Royal Society A pokazały, że można wykorzystać TMATSOLVER — narzędzie oparte na analizie wielobiegunowej, które modeluje oddziaływania między falami i cząsteczkami o różnych kształtach i właściwościach.
Oprogramowanie TMATSOLVER pozwala w bardzo prosty sposób symulować układy nawet kilkuset rozpraszaczy, nawet jeśli mają one skomplikowane kształty.
Główny autor, dr Stuart Hawkins z Wydziału Matematyki i Statystyki Uniwersytetu Macquarie, mówi, że oprogramowanie wykorzystuje macierz przejścia (macierz T) — siatkę liczb, która w pełni opisuje sposób, w jaki dany obiekt rozprasza fale.
„Macierz T była używana od lat 60. XX wieku, ale poczyniliśmy duży krok naprzód w dokładnym obliczaniu macierzy T dla cząstek znacznie większych niż długość fali i o złożonych kształtach” – mówi dr Hawkins.
„Dzięki TMATSOLVER mogliśmy modelować konfiguracje cząstek, których wcześniej nie dało się objąć”.
Dr Hawkins współpracował z innymi matematykami z Uniwersytetu w Adelajdzie, a także z Uniwersytetu w Manchesterze i Imperial College w Londynie, obu w Wielkiej Brytanii, a także z Uniwersytetu w Augsburgu i Uniwersytetu w Bonn, obu w Niemczech.
„Praca nad tym projektem i włączenie oprogramowania TMATSOLVER do moich badań nad metamateriałami było fantastyczne” – mówi dr Luke Bennetts, badacz z University of Adelaide i współautor artykułu.
„Oznaczało to, że mogłem uniknąć wąskiego gardła związanego z wykonywaniem obliczeń numerycznych w celu testowania teorii metamateriałów i pozwoliło mi łatwo uogólnić moje przypadki testowe na znacznie bardziej skomplikowane geometrie”.
Zastosowania w metamateriałach
Naukowcy zademonstrowali możliwości oprogramowania na czterech przykładowych problemach w projektowaniu metamateriałów. Problemy te obejmowały tablice cząstek anizotropowych, kwadratowe cząstki o wysokim kontraście i dostrajalne [JvE1] struktury okresowe, które spowalniają fale.
Metamateriały mają unikalne właściwości, których nie ma w naturze. Pozwalają one na interakcję z falami elektromagnetycznymi, dźwiękowymi i innymi falami, poprzez kontrolowanie rozmiaru, kształtu i rozmieszczenia ich struktur nanometrycznych.
Przykładami mogą być supersoczewki pozwalające oglądać obiekty na poziomie molekularnym, peleryny niewidki, które załamują całe światło widzialne, a także idealna absorpcja fal służąca do pozyskiwania energii lub redukcji szumów.
Wyniki badań i rozwoju narzędzia TMATSOLVER znajdą szerokie zastosowanie w przyspieszaniu badań i rozwoju na rosnącym światowym rynku metamateriałów, które można zaprojektować w celu precyzyjnej kontroli fal.
„Wykazaliśmy, że nasze oprogramowanie może obliczyć macierz T dla bardzo szerokiego zakresu cząstek, wykorzystując techniki najbardziej odpowiednie dla danego typu cząstki” – mówi dr Hawkins.
„Umożliwi to szybkie prototypowanie i walidację nowych projektów metamateriałów”.
Profesor Lucy Marshall, dziekan Wydziału Nauk Ścisłych i Inżynierii na Uniwersytecie Macquarie, twierdzi, że oprogramowanie może przyspieszyć dokonywanie nowych przełomów.
„Badania te stanowią wielki krok naprzód w zakresie naszych możliwości projektowania i symulowania złożonych metamateriałów. Są też doskonałym przykładem tego, jak innowacyjne metody obliczeniowe mogą napędzać postęp w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej” – mówi Profesor.