روش پراکندگی موج پیشرفته می‌تواند عبای نامرئی را به واقعیت نزدیک‌تر کند
یک نرم‌افزار جدید که پراکندگی موج‌های پیچیده را برای طراحی متامتریال شبیه‌سازی می‌کند، می‌تواند عبای نامرئی را یک گام به واقعیت نزدیک‌تر کند.
این نرم‌افزار که توسط محققان دانشگاه مک‌کواری توسعه یافته است، می‌تواند به‌طور دقیق نحوه پراکندگی موج‌ها – صوت، آب یا نور – را هنگام برخورد با آرایش‌های پیچیده ذرات مدل‌سازی کند.
این توسعه به‌طور قابل‌توجهی توانایی طراحی سریع متامتریال‌ها را بهبود می‌بخشد – موادی مصنوعی هیجان‌انگیزی که برای تقویت، مسدود یا انحراف موج‌ها استفاده می‌شوند.
TMATSOLVER شبیه‌سازی آرایش‌های پراکندگی را آسان می‌کند
محققان چالش شبیه‌سازی سریع فرآیندهای پراکندگی چندگانه در متامتریال‌ها را برطرف کرده‌اند. آنها یک فرمول کلی از مسئله پراکندگی چندگانه توسعه داده‌اند که می‌تواند به سادگی و به‌سرعت ساختارهای رایج متامتریال را توصیف کند و این امکان را فراهم می‌کند تا روش مبتنی بر چندقطبی به‌صورت کارآمد اجرا شود.
این فرمول در نرم‌افزار TMATSOLVER پیاده‌سازی شده است که ابزاری را برای محققان فراهم می‌کند تا طراحی‌های متامتریال خود را به‌سرعت و به‌راحتی نمونه‌سازی کنند یا روش‌های عددی را اعتبارسنجی کنند.
تحقیقات استفاده از TMATSOLVER را نشان داد – یک ابزار مبتنی بر چندقطبی که تعاملات بین موج‌ها و ذرات با اشکال و خواص متنوع را مدل‌سازی می‌کند.
این مطالعه که در مجله Proceedings of the Royal Society A منتشر شده است، ادعا می‌کند که نرم‌افزار TMATSOLVER شبیه‌سازی آرایش‌های تا چند صد پراکندگی را حتی زمانی که دارای اشکال پیچیده هستند، آسان می‌کند.
این نرم‌افزار از ماتریس انتقال (T-matrix) استفاده می‌کند – جدولی از اعداد که به‌طور کامل نحوه پراکندگی یک شیئ را توضیح می‌دهد.
محاسبه دقیق ماتریس T برای ذرات بزرگ‌تر از طول موج
دکتر هاوکینز، نویسنده اصلی از دپارتمان ریاضیات و آمار دانشگاه مک‌کواری اظهار داشت که ماتریس T از دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفته است، اما محققان یک گام بزرگ در محاسبه دقیق آن برای ذرات بسیار بزرگ‌تر از طول موج و با اشکال پیچیده برداشته‌اند.
«با استفاده از TMATSOLVER، ما توانسته‌ایم پیکربندی‌هایی از ذرات که قبلاً قابل رسیدگی نبودند را مدل‌سازی کنیم» اضافه کرد هاوکینز.
قابلیت‌های نرم‌افزار از طریق چهار مسئله نمونه در طراحی متامتریال نشان داده شد. این مسائل شامل آرایه‌هایی از ذرات ناهمسانگرد، ذرات مربعی با کنتراست بالا، و ساختارهای دوره‌ای قابل تنظیم که موج‌ها را کند می‌کنند، بود.
متامتریال‌ها برای داشتن خواص منحصربه‌فردی که در طبیعت یافت نمی‌شوند طراحی شده‌اند، و این امکان را فراهم می‌کنند که با اندازه، شکل و آرایش ساختارهای نانو مقیاس‌شان تعامل داشته باشند.
نمونه‌هایی از این نوع مواد شامل لنزهای فوق‌العاده برای مشاهده اشیاء در مقیاس مولکولی؛ عبای نامرئی که تمام نور مرئی را شکست می‌دهند؛ و جذب کامل امواج برای جمع‌آوری انرژی یا کاهش نویز است.
محققان ادعا کرده‌اند که یافته‌های این تحقیق و توسعه ابزار TMATSOLVER کاربردهای گسترده‌ای در تسریع تحقیق و توسعه در بازار جهانی متامتریال‌ها خواهد داشت که می‌توانند برای کنترل دقیق موج‌ها طراحی شوند.
دکتر هاوکینز ادعا کرده است که این مطالعه نشان داده است که نرم‌افزار می‌تواند ماتریس T را برای طیف بسیار وسیعی از ذرات محاسبه کند، با استفاده از تکنیک‌هایی که برای نوع ذره مناسب‌ترین هستند.
او معتقد است که این امر نمونه‌سازی سریع و اعتبارسنجی طراحی‌های متامتریال جدید را ممکن می‌کند.
«این نرم‌افزار می‌تواند به‌سرعت نوآوری‌های جدید را تسریع کند. این تحقیق نمایانگر یک جهش بزرگ به جلو در توانایی ما برای طراحی و شبیه‌سازی متامتریال‌های پیچیده است»، گفت پروفسور لوسی مارشال، رئیس اجرایی دانشکده علوم و مهندسی دانشگاه مک‌کواری.
«این مطالعه یک نمونه برجسته از چگونگی بهره‌گیری روش‌های محاسباتی نوآورانه می‌تواند پیشرفت‌های بزرگی در علوم مواد و مهندسی ایجاد کند.»
