科企島:飛蛾翅膀塗層成為未來聲學新材料

2022年06月27日19:44:34 寵物 1105

聾飛蛾毛茸茸的吸音翅膀可能是未來聲學材料的關鍵。

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大約6500萬年前,也就是恐龍滅絕的時候,蝙蝠進化出了回聲定位的能力。它們會用嘴或鼻子發出咔嗒聲,並在黑暗中傾聽這些咔嗒聲在物體表面和動物身上反彈產生的回聲。蝙蝠是飛蛾的主要捕食者,所以許多飛蛾進化出了對回聲定位敏感的耳朵——但不是所有的飛蛾。

有些物種,比如毛絲蛾,是不長耳朵的。相反,它們使用了另一種已經可以利用的防禦機制:吸音翅膀。

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2018年,布里斯托爾大學的一組研究人員發現,毛蛾的翅膀上有一層塗層,可以吸收多達85%的擊中它們的聲音,這使得蝙蝠很難找到它們,因為它們的叫聲沒有得到很好的反射。

現在,同一團隊的一項新研究表明,這些蛾子的翅膀可以激發出一種新型的超薄聲學材料,這種材料可以用作牆紙,比目前市場上的材料薄10倍。

這並不是人類第一次向大自然求助。牆紙的設計雖然具有開創性,但它屬於一個被稱為仿生學的現有領域,即在人造系統中模仿自然設計和過程的行為。例如,受蜘蛛網上的紫外線反射線啟發的鳥類安全玻璃;受白蟻丘啟發的散熱孔;當然,還有模仿鳥類的飛機機翼

飛蛾是在2.5億年前進化出來的,比蝙蝠早了大約2億年前。布里斯托爾大學的感覺生物學教授馬克·霍爾德里德(Marc Holderied)和托馬斯·尼爾(Thomas Neil)共同撰寫了這項新研究。他表示,在蝙蝠出現之前,聾毛蛾的翅膀上就有鱗片——也許是為了保護自己不受黏糊糊的蜘蛛網的傷害。所以它們所要做的就是調整它們的功能。

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科學家們知道,無耳飛蛾必須依靠它們的聲翼來生存,但他們花了六年時間才弄清楚這到底是怎麼回事。霍爾德里德說,秘訣在於它們翅膀上的一層微塵。

在顯微鏡下,這些灰塵看起來像一組微小的重疊鱗片,類似於複雜的屋頂瓦片圖案。當聲音以正確的頻率擊中音階時,音階就會開始振動。通過振動,它們將空氣中的聲能轉化為機械能,最終衰減並轉化為熱。這個過程被稱為共振吸收。

這就是聲音頻率發揮作用的地方。每個聲音頻率都有一個波長。霍爾德里德說,對於傳統的聲學材料來說,它們的厚度需要達到波長的十分之一。因此,對於波長很長的聲音,比如飛機的持續嗡嗡聲,或者餐館嘈雜的背景噪音,我們需要厚一些(幾英寸)的聲波材料,並且多孔性足夠,當聲波擊中它們時能夠分散。

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相比之下,共振吸收器的厚度可以達到它們試圖阻止的波長的百分之一。霍爾德里德說:「這為我們人類打開了大量的機會,試圖理解進化賦予這些飛蛾翅膀的機制,並把它變成對我們的聽覺範圍有用的東西。」

這種新材料的工作原理有點像一種超薄的壁紙織物,應用於從辦公室牆壁到飛機座椅的各種表面。

「我們談論的是毫米而不是厘米的東西,」霍爾德里德說,並指出共振材料將比傳統聲學中使用的多孔材料更有效。他說,當一種材料變薄時,它也會變輕,例如,這可以幫助減輕飛機的整體重量,節省燃料。

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霍爾德里德的團隊正在研究幾種由超材料製成的原型。這些工程材料由大量細胞構成;在這種情況下,鱗片會模仿飛蛾翅膀的工作方式。他不能透露構成更大的超材料的確切材料,但他說,第一個原型是4 × 4英寸,以現有的材料,如硅和其他易於操作的東西為特色。

現在的挑戰是如何將這一概念轉化為適用於人類的聽覺範圍。在這項特殊的研究中,科學家們使用的超聲波信號超出了人類能聽到的範圍,但霍爾德里德說,超材料上每個尺度的大小可以幫助決定它能吸收的聲音類型。

新材料上市可能還需要幾年的時間,但如果它真的上市了,那將是2.5億年作用的高點。

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