Kristal Fononik Pengawal Gelombang Akustik

Kristal fononik ialah struktur tiruan yang dibina daripada sel unit berkala dengan bahan berlainan sifat mekanikalnya. Struktur tiruan ini berupaya menghasilkan gelombang akustik yang berlainan disebabkan oleh kehadiran jurang jalur fononik yang boleh digunakan untuk aplikasi penapisan, pemandu gelombang, pengesan dan pemultipleks. Keupayaan kristal fononik mengawal gelombang akustik membolehkan penggunaannya dalam pelbagai aplikasi kerana julat frekuensi operasinya yang luas, daripada Hertz (Hz) hingga GigaHertz. Oleh sebab jurang frekuensi yang besar, saiz sel unit kristal fononik boleh berubah mengikut frekuensi merangkumi skala metrik hingga nanometrik. Dalam artikel ini, prinsip dan mekanisme di sebalik kristal fononik dibincangkan secara ringkas. Di samping itu, potensi kristal fononik untuk diaplikasikan dalam variasi bidang akan diketengahkan untuk membolehkan penyelidikan selanjutnya supaya pengkomersilan produk berasaskan prinsip ini dapat dipasarkan pada masa hadapan.

Pengawalan dan gelombang akustik atau elastik merupakan masalah yang besar bagi kebanyakan peranti elektronik, khususnya dalam teknologi komunikasi tanpa wayar.  Manipulasi gelombang seperti penapisan, pemanduan dan penumpuan amat diperlukan bagi mendapatkan prestasi yang optimum. Struktur berkala yang dikenali sebagai kristal fononik yang diperkenalkan 30 tahun  lalu telah mencetuskan fenomena dalam kalangan saintis untuk digunakan dalam pelbagai bidang seperti penghapus bunyi, pengimejan ultrasonik, pengurusan termal dan teknologi telekomunikasi.

Terma fonon dipilih kerana fonon merupakan partikel terkecil yang menyebabkan terhasilnya gelombang yang bersifat mekanikaononik. Mekanikaononik didefinisikan sebagai struktur tiruan yang disusun secara berkala dengan menggunakan sekurang-kurangnya dua bahan yang mempunyai sifat mekanikal yang berbeza untuk membentuk komposit yang mempunyai keupayaan untuk memanipulasikan pergerakan gelombang akustik/elastik dan getaran, sama ada melalui medium pepejal atau bendalir. Gelombang akustik/elastik ini dapat dimanipulasikan oleh kristal fononik dengan kehadiran jurang jalur fononik yang dapat diperhatikan pada frekuensi tertentu. Pada frekuensi yang terletak dalam jurang jalur ini, getaran dan gelombang berbentuk mekanikal dilarang  merentasi medium dan akan dipantulkan tanpa mengira dari arah dan sudut sumber gelombang berkenaan.  Jurang jalur fononik ini juga dapat dipelbagaikan dengan memasukkan kecacatan sama ada berbentuk setempat atau linear yang dapat diaplikasikan sebagai resonator, pengesan atau pemandu arah gelombang.

Walaupun penyelidikan berkaitan dengan kristal fononik telah dimulakan sejak tahun 1992 oleh Sigalas dan Kushwaha yang telah mengetengahkan teori asas berserta data simulasi, percubaan pertama secara eksperimentasi hanya diperlihatkan pada tahun 1995 melalui struktur skulptur yang direka oleh E. Sempere di Madrid. Struktur ini mempunyai susunan berkala dalam dua dimensi yang dibina dengan menggunakan silinder dan diperbuat daripada besi tahan karat. Hasilnya mendapati struktur ini telah menunjukkan keupayaan untuk menghalang dan merendahkan amplitud penghantaran gelombang bunyi pada frekuensi tertentu yang bukannya disebabkan oleh penyerapan gelombang oleh sifat bahan silinder tersebut (Martínez-Sala et al., 1995). Hal ini dikatakan demikian kerana silinder yang diperbuat daripada besi amat keras dan efisien untuk menyebabkan lantunan dan sebaran gelombang.  Oleh itu, penurunan penghantaran gelombang pada frekuensi tertentu ini berpunca daripada fenomena interferens perosak yang berlaku antara beberapa gelombang yang terhasil daripada penyebaran oleh silinder yang bertindak sebagai penyerak.  Frekuensi yang menghalang penghantaran gelombang akustik ini juga dikenali sebagai jurang jalur fononik.

Martínez-Sala et al. (1995) juga menerangkan penghalangan penghantaran gelombang ini dikaitkan dengan jurang jalur fononik, iaitu frekuensi ini ditentukan terutamanya oleh geometri dan susunan berkala silinder tersebut. Eksperimen ini menunjukkan potensi kristal fononik yang mudah direalisasikan tanpa memerlukan kos yang tinggi dan menggunakan bahan yang mudah didapati. Lanjutan itu, eksperimen ini juga telah menjadi inspirasi bagi meneruskan lagi perkembangan kristal fononik supaya dapat diaplikasikan lagi dalam pelbagai bidang, terutamanya yang melibatkan teknologi radio frekuensi, penghadang bunyi dan ultrasonik.

Selain itu, frekuensi yang amat rendah dalam lingkungan Hz sangat berbahaya kerana boleh mengakibatkan gempa bumi. Kristal fononik mempunyai potensi untuk melindungi bangunan dan struktur yang sensitif seperti reaktor nuklear, pusat janakuasa dan hospital daripada ancaman gempa bumi. Struktur kristal fononik yang menggunakan prinsip resonans berpusat ditanam di dalam tanah di sekeliling bangunan tersebut untuk menyerap getaran gempa bumi dan menjadikan kawasan dalam lingkungan tersebut dilindungi.  Di samping itu, penanaman pokok di hutan yang disusun secara berkala juga telah dibuktikan mempunyai impak untuk mengurangkan kesan gempa bumi (Colombi, Roux, Guenneau, Gueguen dan Craster, 2016).

Manipulasi bunyi merupakan aplikasi utama kristal fononik yang melibatkan banyak perkara dalam kehidupan seharian untuk berhubung, berhibur melalui muzik dan menyampaikan maklumat.  Bunyi yang boleh didengar oleh pendengaran manusia terletak pada frekuensi 20 Hz hingga 20 kHz dengan panjang gelombang daripada meter kepada beberapa sentimeter. Selain itu, pencemaran bunyi, terutamanya di lapangan terbang, lebuh raya dan kawasan industri merupakan isu serius yang perlu ditangani segera bagi meningkatkan kualiti dan taraf hidup.

Lanjutan daripada penyelidikan terhadap skulptur Eusebio Sempere ini telah memberikan inspirasi kepada beberapa kumpulan penyelidik untuk menghasilkan penghadang atau penyerap bunyi dengan menggunakan prinsip kristal fononik (Sánchez-Pérez et al., 1998). Sebagai langkah untuk memperbaiki kualiti penghadang bunyi tersebut, prototaip yang dihasilkan perlulah direka dengan saiz yang lebih sesuai untuk diimplementasikan dan juga mempunyai jangkauan frekuensi yang lebih lebar. Dengan menggunakan prinsip resonans berpusat dan metabahan, struktur membran telah dibangunkan oleh kumpulan dari Hong Kong University yang lebih sesuai diadaptasikan kerana kenipisannya (31 mm) dan dapat menyerap bunyi pada frekuensi yang rendah dalam lingkungan 100 Hz hingga 1000Hz (Mei et al., 2012).