Metamaterial versteckt Metall vor Schall

Für Ultraschallaufnahmen registriert man die vom untersuchten Objekt zurückgesandten, hochfrequenten Schallwellen und übersetzt sie in Bilder. Knochen oder Metall können aufgrund ihrer akustischen Eigenschaften die Wellen blockieren oder verzerren, was zu ungenauen Bildern führt. Forscher um Chen Shen von der North Carolina State University in den USA schlagen in der Fachzeitschrift „ Physical Review X“ Pläne für eine Metamaterialstruktur mit genau entgegengesetzten akustischen Eigenschaften vor, mit der die Verzerrung kompensiert werden kann. Ihren Simulationen zufolge macht die Aluminiummembran absorbierende Schichten fast schalltransparent und wirkt somit wie eine Tarnkappe für Ultraschall.

Aufbau der Membran

Die Aluminiummembran des Materials ist im Entwurf einen Zehntel Millimeter dick und so konstruiert, dass sie starke Anisotropie aufweist. Das bedeutet, dass Eigenschaften wie Dichte und Steifheit von der Richtung abhängen, in die verformende Kräfte – etwa eine Schallwelle – auf den Stoff wirken. Dafür sorgt die spezielle Anordnung von Kanälen und Zellen. Die Forscher simulierten, wie das Material den Schall leitet. Demzufolge, dringen durch eine Knochenschicht 88 Prozent der Schallenenergie, wenn das Metamaterial darauf liegt. Dagegen sind es nur 28 Prozent ohne das Material. „Es sieht tatsächlich so aus, als ob die aberrierende Schicht gar nicht da wäre", sagt Koautor Yun Jing, ebenfalls von der North Carolina State University.

Ultraschall wirkt stimulierend auf Hirnregionen und dient in der Sonographie dazu, innen liegende Körperteile ohne Strahlenbelastung abzubilden. Mit dem komplementären Material vor den Schallwellen getarnt, würde der Schädelknochen bei Therapie und Diagnose nicht weiter stören. „Diese Metamaterialien könnten auch in industriellen Umgebungen eingesetzt werden", sagt Jing, „zum Beispiel um mit Ultraschall Risse in Flugzeugflügeln unter deren Metallhaut zu erkennen.“ Doch zuvor wollen die Wissenschaftler Prototypen für echte Testmessungen entwickeln.