Materialwissenschaften Neues Metamaterial lenkt Schwingungen in geordnete Bahnen

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Forschende der ETH Zürich haben eine hauchdünne Silikonmembran so strukturiert, dass sie mechanische Wellen gezielt auf bestimmten Bahnen lenken kann. Solche Strukturen bieten interessante Möglichkeiten, um unerwünschte Vibrationen in nutzbare Energie zu verwandeln oder mechanische Signale zu verarbeiten.

Metamaterialien – der Begriff mag für Laien esoterisch klingen. Für die Wissenschaft ist das jedoch ein interessanter Forschungsbereich, der sich besonders seit den 1990er Jahren rasant entwickelt hat.

Für das blosse Auge sieht ein Metamaterial wie ein gewöhnliches Material aus. Auf kleineren Skalen ist es aber auf aussergewöhnliche Weise aufgebaut. Dies verleiht ihm besondere mechanische Eigenschaften, die das Ausgangsmaterial nicht hat.

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Solche künstlich entworfenen Materialien sind zum Beispiel sehr leicht, steif, stark verformbar oder sie dämpfen Stösse und Vibrationen. Anwendungen reichen von Schuhsohlen (ETH-News berichtete) und Helmen bis hin zu Mikroelektronik.

Spezielle Eigenschaft dank spezieller Mikrostruktur

Einer, der sich in seiner Forschung intensiv mit Metamaterialien auseinandersetzt, ist Dennis Kochmann, Professor für Mechanik und Materialforschung der ETH Zürich. «Es ist faszinierend, wie man durch eine spezielle Mikrostruktur etwas aus einem Material herausholt, was es ohne diese Struktur nicht hat», sagt er.

Vor kurzem haben Kochmann und seine Mitarbeitenden in zwei wissenschaftlichen Publikationen ein neuartiges sogenannt phononisches Metamaterial vorgestellt, ein Material, das mechanische Wellen – Vibrationen oder akustische Signale – gezielt kontrollieren kann.

Ein solches Metamaterial könnte beispielsweise dafür genutzt werden, um aus Vibrationen Energie zu gewinnen oder Signale rein mechanisch zu verarbeiten, was für Sensoren und mechanische Computer, die ohne Strom auskommen, interessant ist.

Hauchdünne Siliziummembran als Wellenlenker

Versetzt man eine Metallplatte in Schwingungen – zum Beispiel durch Hammerschläge – so breiten sich Schwingungen in der Regel kreisförmig aus, ähnlich wie Wellen im Wasser. Hat diese Platte aber eine spezielle Struktur, kann sie Wellen in gezielte Bahnen umlenken. Genau diesen Effekt machten sich die ETH-Forschenden zunutze.

Statt der Metallplatte nutzen sie eine extrem dünne Siliziumembran, in die die Forschenden mit speziellen Fotolithografie- und Ätzverfahren unzählige Löcher eingebracht haben, die sich zu einem spezifisches Muster zusammenfügen.

Ein Muster aus Millionen von Elementen

Das Muster besteht aus Millionen von sich wiederholenden quadratischen Elementen – winzig kleinen Quadraten, die kreuzweise in vier weitere Quadrate aufgeteilt werden. In der Mitte des Hauptquadrats sitzt ein vierstrahliger Stern.

Diese Einheitszellen sind nicht über das gesamte Muster hinweg identisch wie bei vielen anderen Metamaterialien, sondern ändern sich graduell, indem die Länge der Sternenarme variiert.

Um diese Muster zu generieren, nutzten die ETH-Forschenden spezielle Computermodelle. Sie simulierten dabei, wie sich eine auf das Muster treffende Schwingung in Strahlen fortbewegt.

«Würde man das gesamte Wellenfeld auf klassische Weise simulieren, wäre das extrem rechenaufwendig, weil der Designraum mit Abermillionen Freiheitsgraden riesig ist», erklärt Kochmanns ehemaliger Mitarbeiter Charles Dorn. Er war für die Simulationen federführend und arbeitet jetzt als Assistenzprofessor an der University of Washington.

Puzzlen auf höchstem Niveau

«Das Design unseres Metamaterials ist wie bei einem Puzzle modular», sagt Kochmann. Unterschiedliche Puzzleteile übernehmen dadurch spezifische Funktionen, wie zum Beispiel das Umlenken von Strahlen im rechten Winkel oder das Aufteilen von Wellen aufgrund ihrer Frequenz in verschiedene Richtungen. Setzen die Forschenden entsprechende Puzzleteile geschickt zusammen, können sie komplexe Wellenpfade generieren, wie zum Beispiel eine liegende Acht.

Im Reinraum auf Siliziumträger hergestellt

In einem weiteren Schritt stellten die Forschenden die errechneten Strukturen im Reinraum am Binnig and Rohrer Nanotechnology Center der ETH Zürich und von IBM hochpräzise her. Dazu verwendeten sie einen herkömmlichen Silizium-Rohling als Träger. In mehreren Arbeitsschritten stellten sie daraus eine Silizium-Membran her, die exakt wie das simulierte Muster strukturiert ist, mit hunderttausenden von wenige Mikrometer kleinen Einheitszellen, die mit blossem Auge kaum sichtbar sind.

Schliesslich überprüften die Forschenden die erzeugten Membranen experimentell. Mittels Laserpulsen regten sie die Silizium-Membran zum Schwingen an. Mit einem optischen Messverfahren verfolgten sie in Echtzeit, wie sich die Schwingungen fortpflanzten.

Damit konnten Kochmann und seine Mitarbeitenden bestätigen, dass die Wellen tatsächlich den vorgegebenen Pfaden folgten, teils über lange Zeiträume.

Die Strukturen funktionieren nicht nur bei einer einzelnen Schwingungsfrequenz: Obschon die Forschenden das System auf 750 Kilohertz (750'000 Schwingungen pro Sekunde) auslegten, funktioniert es für solche von etwa 250 bis 800 Kilohertz. «Diese breitbandige Frequenzspanne haben wir so nicht geplant, sie hat uns positiv überrascht», sagt Vignesh Kannan, der Mitautor der Studie, die im Fachjournal externe Seite Nature Communications erschien.

Da Silizium als Ausgangsmaterial von Natur aus eine geringe Dämpfung besitzt, können sich Wellen langanhaltend ausbreiten. Das sei ein grosser Vorteil gegenüber polymerbasierten 3D-Druckstrukturen, deren Dämpfung jegliche Schwingungen schnell unterdrückt, erklärt Kannan, der mittlerweile Assistenzprofessor an der Ecole Polytechnique in Paris ist.

Energie aus Vibrationen gewinnen

Die neuartige Siliziummembran könnte in der Mikro- und Nanoelektronik zum Einsatz kommen, etwa um Schwingungen auf Chips besser zu kontrollieren. Interessant ist das phononische Metamaterial auch für die mechanische Signalverarbeitung ohne Stromversorgung, etwa in Sensoren zur Überwachung von Infrastruktur in unerschlossenen Gegenden. Langfristig könnten sie auch für neuartige Computer-Architekturen verwendet werden.

Kochmann denkt aber auch an Energy Harvester – Geräte, die gezielt Schwingungsenergie zu piezoelektrischen Energiewandlern lenken, die daraus nutzbaren Strom gewinnen.

In weiteren Schritten möchten er und seine Kooperationspartner die Miniaturisierung weiter vorantreiben – bis an die Grenze des Machbaren, wo Fertigungsfehler in der Mikro- oder gar Nanostruktur sich auszuwirken beginnen.

«Wir möchten zudem auch die Physik dahinter besser verstehen. Bis jetzt ist nicht abschliessend klar, weshalb das Design so robust über weite Frequenzbereiche funktioniert», sagt Kochmann.

Für ihn steht die Grundlagenforschung im Vordergrund, da einige der zugrunde liegenden Phänomene noch immer Rätsel aufgeben. Anwendungen ergäben sich oft automatisch, so der Forscher. «Das ist das Schöne hier an der ETH: Wir können Dinge ausprobieren und die Grundlagen erforschen ohne kommerziellen Druck.»

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