Wissenschaftler der Universitäten von Bristol und Sussex stellten fest, dass sich durch symmetrische Metamaterialien Licht- und Mikrowellen um Objekte herum lenken lassen. Dafür entwickelten sie unter anderem ein modulares akustisches Metamaterial und nutzten für die Herstellung der ableitenden Objekte die 3D-Drucker.

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University of Bristol Logo.Mögliche Anwendungsgebiete des neuen Materials sehen die Forscher unter anderem im Einsatz stark fokusierter Ultraschallwellen, mit denen Tumorgewebe zerstört werden kann.

Das Material wurde für Ultraschallwellen mit einer Frequenz von vierzig Kilohertz entwickelt. Dazu fertigten sie mit einem 3D-Drucker aus einem thermoplastischen Kunststoff unterschiedliche Bauelemente. Jedes dieser Elemente war 8,66 mm hoch, wies eine quadratische Basis und eine Kantenlänge von 4,33 mm auf. Dies entsprach anderthalb Wellenlängen. Durch die einzelnen Elemente schlängelten sich ganz kleine, luftgefüllte Kanäle, die ihre Struktur verändern konnten. Die Forscher um Gianluca Memoli stellten insgesamt 16 verschiedene Elemente her, die eine Phasenverschiebung der Ultraschallwellen im Bereich von 0 und 2 π zur Folge hatten.

Störmungsverlauf beim Einsatz von Metamaterialien
Grafische Darstellung des Störmungsverlaufs sowie eines 3D-gedruckten Bauelements (Bild: © nature.com).

Am Computer wurde sodann die Anordnung der einzelnen Bauelemente berechnet, um so ein Schallfeld herstellen zu können. Der akustische Fokus variierte dabei zwischen 3 und 47 Wellenlängen.

„Unsere Elemente können einfach zusammengesetzt und wieder umgeordnet werden, um jedes gewünschte akustische Feld zu erzeugen“, so Memoli. Einen enormen Vorteil sehe er im kostengünstigen 3D-Druck der Kunststoffmodule. Die in der Medizin eingesetzten Ultraschallquellen lassen sich somit nicht nur für die Bildgebung, sondern auch für die Zerstörung kranken Gewebes nutzen, sofern hier aus dem Metamaterial gefertigte Bauelemente zum Einsatz kommen.

Bei der berechneten und der gemessenen Schallausbreitung lassen sich bisher noch Unterschiede ausmachen, sofern die Bauelemente nicht mit dem 3D-Drucker hergestellt wurden, wie dies bei einigen anderen Forschern der Fall ist, die ebenfalls auf dem Gebiet der Metamaterial-Entwicklung tätig sind, so die Aussage der britischen Forscher.

Zugleich belegen die bisherigen Versuche aber auch, dass in den akustischen Metamaterialien viel Potenzial steckt. Sie können zu einer größeren Variabilität der Schallausbreitung führen, als dies bei den bisher eingesetzten Werkstoffen der Fall ist. Da sich die neuen Metamaterialien in unterschiedlichen Größen anordnen lassen – angefangen von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Metern -, ist es durchaus denkbar, sie sowohl in der Unterhaltungselektronik, in der Medizin, aber auch beim Geräusch-Design von Gebäuden einzusetzen.

Den vollständigen Bericht über die Entwicklung der akustischen Metamaterialien finden Sie in englischer Sprache auf der Nature-Webseite.

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