研究人員發現了一種利用聲音控制材料行為的方法。在發表於《Nature Communications》的研究中，團隊解釋了特定的聲波頻率如何可靠地移動微小的局部特徵稱為機械扭結（mechanical kinks），這些扭結決定了材料的柔軟或堅硬。機械扭結在同一材料的兩種不同內部狀態之間起著邊界作用。雖然兩側的原子或構建塊可能相同，但其三維方向卻不同。這種微小的結構變化可以產生截然不同的機械性質。扭結在確定材料變形的位置方面至關重要，出現在金屬永久彎曲或DNA鏈分離等情況中。用聲音控制扭結可能使自適應材料成為可能。
控制這些微小特徵的扭結長久以來吸引了材料科學家的注意，因為改變它們可以重塑材料的行為，例如改變哪些區域是柔軟的或堅硬的。然而，實現精確控制一直是挑戰。在大多數材料中，扭結面臨著能量障礙，阻止它們移動。先前的實驗顯示聲波可以移動扭結，但運動往往不可預測且混亂，該研究的共同作者之一、加州大學聖地亞哥分校機械與航空工程系的教授Nicholas Boechler表示。Boechler和他的團隊發現了一種利用聲波精確控制扭結運動的方法。他們創建了一種材料模型，其中移動扭結不需要能量，這是一種罕見且不尋常的特性。這是通過設計材料，使其機械行為取決於內部結構而非化學成分來實現的。在這個模型中，扭結的位置決定了材料的硬度。扭結周圍的區域始終是柔軟的，而硬度隨距離逐漸增強。將扭結移動到一端使該側柔軟，而對面的端則變得堅硬；將其放置在中間則使中間變得柔軟，兩側則變得堅硬。
Boechler將這一發現形容為創造了一個聲學“拖曳光束”，可以移動扭結並改變材料的感覺，形成可控的硬度梯度。由於模型材料缺乏能量障礙，團隊不僅能可靠地移動扭結，還能以精確的增量步驟進行調整。Boechler解釋說，從一側發送聲波會將扭結拉向聲源。短促的聲波脈衝會輕輕推動扭結，而每次隨後的脈衝則會使其進一步移動。實際上，研究人員已經開發出一種遠程控制材料內部狀態的方法。為了測試他們的想法，團隊構建了一個由堆疊的旋轉盤片組成的實物模型，這些盤片通過彈簧連接。每個盤片代表一個原子，而彈簧則像原子鍵一樣。一個設置不同的盤片代表扭結。短促的聲波脈衝使扭結向聲源推進幾個盤片。重複的脈衝一步步地移動它，而更長的振動則將扭結拉過整個鏈條，翻轉哪一側是柔軟的，哪一側是堅硬的。
這項研究展示了研究人員可以通過聲音前所未有地控制材料的扭結，即使只是通過拉動它。只有特定的頻率會觸發運動，計算機模擬顯示聲波能夠傳遞足夠的動量來移動扭結，儘管會有部分反射。這項工作突顯出一條有前景的道路，能夠精確調整材料的硬度，並根據需求塑造機械性質。
