Der Stoff, so dünn wie der Flügel einer Zikade, ist tatsächlich ein „Schalldämpfer“!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Fei (Yantai-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Lärm ist der allgegenwärtige „Staatsfeind“ der modernen Gesellschaft. Das Dröhnen der Maschinen, der Lärm der Autos, die lauten Stimmen der Menschen … der ständige Lärm beeinträchtigt nicht nur unsere Stimmung, sondern schadet auch unserer Gesundheit. Um Lärm zu bekämpfen, benötigen wir die Hilfe von Schallschutzmaterialien. Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Seidenstoff, der so dünn ist wie die Flügel einer Sommerzikade, zu einer „Wunderwaffe“ zur Lärmbekämpfung werden könnte.

Diese bahnbrechende Forschung ist das Ergebnis einer interdisziplinären Zusammenarbeit des MIT und anderer Institutionen. Sie entwarfen einen speziellen Seidenstoff, der von geräuschunterdrückenden Kopfhörern inspiriert war. Auf den ersten Blick sieht es aus wie normale Seide, dünn, leicht und fühlt sich seidig an. Darin eingewebt sind jedoch piezoelektrische Fasern, die über „Superkräfte“ verfügen.

Schematische Darstellung des Anti-Lärm-Gewebes (a. Transmission; b. Transmission; c. Aktive Geräuschreduzierung; d. Vibrationsgeräuschunterdrückung)

(Bildquelle: Referenz 1)

Was ist Piezoelektrizität?

Der piezoelektrische Effekt kommt vom griechischen Wort „piezein“, was „komprimieren“ oder „quetschen“ bedeutet. Dieser Effekt beruht darauf, dass bei mechanischer Beanspruchung bestimmter Materialien elektrische Ladungen an der Oberfläche entstehen und dadurch eine Spannung entsteht. Dieses Phänomen wurde erstmals 1880 von den Brüdern Curie (Jacques und Pierre Curie) bei der Untersuchung von Quarzkristallen entdeckt.

Piezoelektrische Materialien können in natürlich vorkommende Kristalle (wie Quarz, Salzkristalle und bestimmte biologische Materialien wie Knochen und DNA) und künstlich synthetisierte Materialien (wie bestimmte Keramiken und Polymere) unterteilt werden. Das gemeinsame Merkmal dieser Materialien besteht darin, dass ihre Kristallstrukturen nicht zentrosymmetrisch sind, was dazu führt, dass sich ihre Kristallgitter unter der Einwirkung äußerer Kräfte leicht verschieben und sich dadurch Ladungen auf ihren Oberflächen ansammeln.

Wenn ein Dehnungsmessstreifen aus piezoelektrischem Material seine Form ändert, erzeugt er Spannung (dies ist ein übertriebenes Diagramm).

(Bildquelle: Wikipedia)

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Von Feuerzeugen und Herden mit piezoelektrischer Zündung im Alltag bis hin zu medizinischen Bildgebungsgeräten und präzisen Industriesensoren im Hightech-Bereich – die piezoelektrische Technologie findet in der modernen Technik vielfältige Anwendung.

Im medizinischen Bereich werden piezoelektrische Materialien beispielsweise zur Herstellung von Ultraschallbildgebungsgeräten verwendet, mit denen die inneren Strukturen des menschlichen Körpers nicht-invasiv beobachtet werden können und die ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Diagnosetechnologie sind. In industriellen Anwendungen können piezoelektrische Sensoren den Betriebszustand und die Funktionsfähigkeit von Maschinen erkennen und so bei der Wartung und Fehlerdiagnose helfen.

Der allgemeine piezoelektrische Effekt ist in die folgenden zwei Modi unterteilt.

Der erste Modus ist der direkte piezoelektrische Effekt. Wenn ein piezoelektrisches Material einer äußeren Kraft wie Druck oder Spannung ausgesetzt wird, führt die Verformung seiner inneren Kristallstruktur zu einer Umverteilung der Ladung, die wiederum eine Spannung über dem Material erzeugt. Dieser Effekt wird häufig zur Herstellung von Sensoren und Stromerzeugungsgeräten genutzt. Sie dienen beispielsweise dazu, Druckänderungen zu erfassen oder mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Der zweite Modus ist der inverse piezoelektrische Effekt. Im Gegensatz zum direkten piezoelektrischen Effekt erfährt ein piezoelektrisches Material eine physikalische Verformung, wenn eine Spannung an es angelegt wird. Dieser Effekt wird häufig in Präzisionssteuerungssystemen wie Präzisionsantrieben und akustischen Vibratoren genutzt. Der inverse piezoelektrische Effekt ermöglicht es Materialien, unter der Steuerung elektrischer Signale präzise mechanische Bewegungen auszuführen. Die piezoelektrischen Fasern, die in der in der oben erwähnten Studie hergestellten schalldämmenden Seide verwendet werden, basieren auf dem inversen piezoelektrischen Effekt. Wenn Schallwellen in der Umgebung piezoelektrische Fasern anregen, können diese Fasern die Schallwellenenergie in elektrische Signale umwandeln und dann durch den inversen piezoelektrischen Effekt relative mechanische Schwingungen erzeugen, wodurch umgekehrte Schallwellen ausgesendet werden, um das ursprüngliche Geräusch auszugleichen und so eine effiziente Geräuschkontrolle zu erreichen.

Die „Killerwaffe“ der Zauberseide

Die piezoelektrischen Fasern in der schallisolierenden Seide müssen den Schall zunächst „hören“, bevor sie ihn unterdrücken können. Diese erstaunlichen Fasern sind wie hochempfindliche „Ohren“. Bei Geräuschen in der Nähe vibrieren sie mit den Schallwellen und wandeln die Vibrationen in elektrische Signale um. Die Forscher nutzten diese Eigenschaft geschickt, um den Stoff in ein „unsichtbares“ Mikrofon zu verwandeln, das die Umgebungsgeräusche in Echtzeit aufnimmt.

Aber es reicht nicht aus, den Ton einfach nur zu hören. Der Schlüssel liegt darin, den Lärm zu eliminieren. Also nutzten die Wissenschaftler erneut ihre Kreativität, um Seide die Fähigkeit zu verleihen, „Geräusche zu machen“. Das ist richtig, dieser Stoff kann nicht nur zuhören, er kann auch „sprechen“! Durch die Steuerung der Vibration piezoelektrischer Fasern kann der Stoff Schallwellen einer bestimmten Frequenz aussenden, um unerwünschten Lärm entgegenzuwirken und ihn zu unterdrücken. So wie wenn zwei Menschen gleichzeitig schreien, sich ihre Stimmen gegenseitig stören und sie sich nicht deutlich hören können, wird auch der Lärm durch die vom Stoff ausgesendeten umgekehrten Schallwellen „ausgelöscht“.

Ein imaginäres Diagramm des Funktionsprinzips der aktiven Geräuschunterdrückungstechnologie. Die blaue Wellenform oben stellt normale Musik dar, die blaue Wellenform unten stellt Hintergrundgeräusche dar und der rote Teil sind die Schallwellen, die von den Kopfhörern aktiv ausgesendet werden, um das Rauschen zu unterdrücken.

(Bildquelle: KI-Synthese)

Neben der aktiven Geräuscherzeugung verfügt diese magische Seide über ein weiteres „Killer-Feature“. Sie sollten wissen, dass die Entstehung und Ausbreitung von Schall im Wesentlichen auf Vibrationen beruht. Wenn wir diese Vibrationen dämpfen können, können wir die Entstehung von Lärm von vornherein verhindern. Dies ist die zweite Art der Schalldämmung durch Seide.

Durch Anpassen der Spannung kann die piezoelektrische Faser ruhig gehalten und so die Übertragung von Schallwellen blockiert werden. Dieser Modus kann als „Geräuschdämmungswaffe“ bezeichnet werden, die laute Umgebungen wie Flugzeuge und Autos sofort beruhigen kann.

Experimentelle Daten bestätigen die Schalldämmungsfähigkeit von Seidenstoffen. Im aktiven Unterdrückungsmodus kann der Lärm um bis zu 65 Dezibel deutlich reduziert werden, was der Umwandlung eines lauten Restaurants in eine Bibliothek entspricht. Im Vibrationsunterdrückungsmodus kann es die Schallübertragung um 75 % reduzieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Schalldämmmaterialien, die dick und plump wirken, ist diese Seidenschicht, die so dünn ist wie der Flügel einer Zikade, einfach ein „Gentleman-Killer“.

Rauschunterdrückungsseide (Skala 1mm)

(Bildquelle: Referenz 1)

Eine seltsame Kombination von Umständen führt uns zur Technologie der Zukunft

Es ist erwähnenswert, dass die ursprüngliche Inspiration für diese revolutionäre Schalldämmungstechnologie tatsächlich aus dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt für intelligente Kleidung kam. Die Forscher versuchten zunächst, piezoelektrische Fasern in Kleidung einzuweben, um menschliche Lebenszeichen in Echtzeit zu erfassen. Dabei stellten sie jedoch fest, dass das Material auch Geräusche „hören“ konnte, was sie auf eine Idee brachte und zu einer neuen Lösung zur Geräuschreduzierung führte.

Solche Analogien verdeutlichen den Reiz wissenschaftlicher Forschung. Scheinbar unbedeutende und zusammenhanglose Entdeckungen bergen oft die Macht, die Welt zu verändern.

Die Einführung lärmreduzierender Seide stellt eine neue Möglichkeit zur Lärmvermeidung und -kontrolle dar, doch die Wissenschaftler haben es hier nicht belassen. Sie planen, das Potenzial dieses Materials weiter zu erforschen, zu untersuchen, wie sich Mehrfrequenzlärm blockieren lässt, und die Leistung des Gewebes durch Anpassung von Parametern wie der Webmethode der piezoelektrischen Fasern und der angelegten Spannung kontinuierlich zu optimieren.

Es ist abzusehen, dass sich diese schalldämmende Seide nach weiteren technologischen Entwicklungen zu einem lärmreduzierenden „Allheilmittel“ entwickeln wird, das leicht, atmungsaktiv, effizient und individuell anpassbar ist und den Menschen eine ruhige und komfortable Wohn- und Arbeitsumgebung schafft.

Abschluss

Die Bedeutung dieser Forschung liegt nicht nur in der Schaffung eines neuen Typs von Schalldämmmaterial, sondern auch in dem unendlichen Vorstellungsraum, den es bietet. Stellen Sie sich vor, dass in Zukunft unsere Kleidung, Vorhänge und Tapeten alle aus dieser „schalldichten Seide“ bestehen könnten, um jederzeit und überall einen friedlichen Raum zu schaffen. In dieser lauten Welt kann ein kleines Stück Seide unerwartete Veränderungen bewirken. Warten wir es ab und hoffen wir, dass diese schwarze Technologie so bald wie möglich in die Haushalte der einfachen Leute Einzug hält und noch mehr Menschen die längst verloren geglaubte Ruhe bringt.

Verweise

1. Einlagige Seiden- und Baumwollgewebe für Schallemission und aktive Schallunterdrückung, Grace H. Yang, Jinuan Lin, Henry Cheung, Guanchun Rui, Yongyi Zhao, Latika Balachander, Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Zachary P. Smith, Lei Zhu, Chu Ma, Yoel Fink

2. Guyuan: Aktives Geräuschreduzierungsgewebe ist verfügbar, sodass Sie in Ihrem Zimmer „Kopfhörer mit Geräuschreduzierung“ tragen können