普林斯顿大学温迪·丰满 该示意图显示了异质材料同时选择性地阻挡声波但透射光，或者更一般地，透射电磁波
信用:宰英金 想象一下预测建模的进展，如果你能从地震波在山脉中传播的方式中推断出光线是如何放大鸟类羽毛颜色的
这有点夸张，但这表明了普林斯顿大学化学教授阿尔瓦托雷托夸托和物理系六年级研究生金在推进我们对不同类型的波在物质中的行为的理解时，设计的新数学公式的“美丽”效用
自然科学教授兼复杂材料理论小组主任托夸托本周在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一项研究，将以前从未联系过的波动现象联系起来
这项研究首次采用了一种统一的方法，将弹性动力(声波)波和电磁(光波)波在非均匀或复合材料中传播的行为融合在一起
托夸托和金还证明了这些波穿过异质材料的方式反过来阐明了材料微结构本身的特征
微结构——构成异质材料的不同材料的空间排列——影响波的传播方式
这是超声波扫描背后的基本思想，即超声波扫描，它能在你的身体内产生结构图像
同质系统由单一材料组成
异质或复合系统是一种混合物
但是这些单独物质的混合物——称为相——不能均匀结合；他们居住在系统内不同的域中
光波和声波穿过给定的复合物，当它们遇到具有不同物理性质的不同相位时，它们的行为、散射和干涉都不同
由于由此产生的干扰，波速会发生变化，波会衰减或失去能量
在这项研究中开发的公式将允许科学家预测波在这些复杂系统中的作用，而不必分别求解控制光波和声波的两组微分方程
他们可以估算出有效波速度和衰减程度，或者一种物质中波的衰减速度，其波长范围比以前的理论所依据的要宽
“我们预测的是这一波通过复杂系统的有效行为，”理论化学家托夸托说
“事实证明，电磁波和弹性动力波的有效特性将取决于与这些特定波相关的波长
例如，光波受电磁波的麦克斯韦微分方程支配
声波由另一组微分方程控制
所以通常情况下，当你在研究波浪现象时，你会发现这两个群体通常不会相互交流
“我们所做的是打破常规，创造一个公式，让我们能够以统一的方式解决每个问题
“然后，我们将这些公式融合在一起，表明如果你能告诉我一种材料对电磁波的反应，我就能告诉你同样的材料对声波的反应
现在，你有了这些可以应用的预测公式，这样你就不必每次改变参数时都要通过成熟的计算机模拟来不断验证理论
你能够获得和预测人们以前甚至无法想象的现象
" 研究集中在异质系统上，因为这些系统是实现多种类型所需特性的理想选择，称为多功能性，这意味着复合材料的最佳特性可以结合起来，对不同类型的波表现出特定的响应
例如，材料可以被设计成吸收波或允许波在没有衰减的情况下传播
“以前的多功能设计主要集中在静态传输和弹性特性上，因为传统理论在预测波浪现象方面不准确，”金说
因此，我们的理论将有助于合理设计具有理想波动特性的多功能复合材料
" 在未来的应用中，这些公式可以设计出对波有特殊响应的新型多功能材料，为设计出具有奇特有效特性的超均匀材料铺平了道路
有朝一日，它们可能会使多功能复合材料的设计成为可能，这些复合材料可能包括航天器的结构部件，这些部件需要高刚度和电磁吸收能力，或者用于中央处理器和其他能够同时抑制机械振动的电气设备的散热器
“由于托夸托教授对跨学科工作的见解，这项工作取得了成功
将光学和声学这两个不同领域的知识联系起来以实现这项研究是令人兴奋的，”金说
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