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Um novo pacote de software desenvolvido por pesquisadores da Universidade Macquarie pode modelar com precisão a maneira como as ondas — som, água ou luz — são espalhadas quando encontram configurações complexas de partículas.
Isso melhorará muito a capacidade de projetar rapidamente metamateriais — materiais artificiais interessantes usados para amplificar, bloquear ou desviar ondas.
Os resultados, publicados na revista Anais da Royal Society A em 19 de junho de 2024, demonstrou o uso do TMATSOLVER — uma ferramenta multipolar que modela interações entre ondas e partículas de várias formas e propriedades.
O software TMATSOLVER torna muito fácil simular arranjos de até centenas de dispersores, mesmo quando eles têm formas complexas.
O autor principal, Dr. Stuart Hawkins, do Departamento de Matemática e Estatística da Universidade Macquarie, diz que o software usa a matriz de transição (matriz T) — uma grade de números que descreve completamente como um determinado objeto espalha ondas.
“A matriz T tem sido usada desde a década de 1960, mas demos um grande passo à frente no cálculo preciso da matriz T para partículas muito maiores que o comprimento de onda e com formas complexas”, diz o Dr. Hawkins.
“Usando o TMATSOLVER, conseguimos modelar configurações de partículas que antes não podiam ser abordadas.”
O Dr. Hawkins trabalhou com outros matemáticos da Universidade de Adelaide, bem como da Universidade de Manchester e do Imperial College London, ambas no Reino Unido, e da Universidade de Augsburg e da Universidade de Bonn, ambas na Alemanha.
“Foi fantástico trabalhar neste projeto e incorporar o software TMATSOLVER à minha pesquisa sobre metamateriais”, diz o Dr. Luke Bennetts, pesquisador da Universidade de Adelaide e coautor do artigo.
“Isso significou que eu poderia evitar o gargalo de produzir cálculos numéricos para testar teorias de metamateriais e me permitiu generalizar facilmente meus casos de teste para geometrias muito mais complicadas.”
Aplicações em metamateriais
Os pesquisadores demonstraram as capacidades do software por meio de quatro problemas de exemplo em design de metamateriais. Esses problemas incluíam matrizes de partículas anisotrópicas, partículas quadradas de alto contraste e ajustáveis [JvE1] estruturas periódicas que desaceleram as ondas.
Os metamateriais são projetados para ter propriedades únicas não encontradas na natureza, permitindo que eles interajam com ondas eletromagnéticas, sonoras ou outras, controlando o tamanho, a forma e o arranjo de suas estruturas em nanoescala.
Exemplos incluem superlentes para visualizar objetos em escala molecular; capas de invisibilidade, que refratam toda a luz visível; e absorção perfeita de ondas para coleta de energia ou redução de ruído.
As descobertas desta pesquisa e desenvolvimento da ferramenta TMATSOLVER terão ampla aplicação na aceleração da pesquisa e do desenvolvimento no crescente mercado global de metamateriais que podem ser projetados para controle preciso de ondas.
“Mostramos que nosso software pode calcular a matriz T para uma ampla gama de partículas, usando as técnicas mais apropriadas para o tipo de partícula”, diz o Dr. Hawkins.
“Isso permitirá a rápida prototipagem e validação de novos projetos de metamateriais.”
A professora Lucy Marshall, reitora executiva da Faculdade de Ciências e Engenharia da Universidade Macquarie, diz que o software pode acelerar novos avanços.
“Esta pesquisa representa um grande avanço em nossa capacidade de projetar e simular metamateriais complexos e é um excelente exemplo de como métodos computacionais inovadores podem impulsionar avanços na ciência e engenharia de materiais”, diz o professor.
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