3D metastructures for the manipulation of mechanical waves and energy harvesting

Man has always tried to exploit resources in order to achieve the best efficiency without waste. Metamaterials are a clear example: unusual macroscopic properties are obtained through particular geometries, independently from chemical composition. In this context, photonic and phononic crystal collocate themselves: they are periodic structures which dispersion relation shows interruptions called bandgaps. Here electromagnetic and mechanical waves cannot propagate. The aim of this thesis on mechanical metamaterials it to manipulate those waves with purpose of Energy Harvesting. First of all, we studied a monodimensional system and a slab in order to understand propagation behaviour. The next step included a defect in those structures: within the bandgap, wave localization occurs only into the defect, meaning that those modes coincide with the eigenmodes of the defect itself. We applied the same iter on a 3D structure. We fabricated different prototypes. The aperiodic ones demonstrated that, for frequencies into the bandgap, merely the “defects” contribute to local eigenmodes. So it would be possible to introduce piezoelectric patches on the involved beams in order to collect energy, theoretically without losses because of high confinement. Moreover, one aperiodic prototype, characterized by randomness, shows attenuation of transmission similar to the periodic structure, but due to local resonance phenomena. We explained this behaviour through an analytical model. Lens-type prototypes, alternatively, stem from waveguides into 3D structures. Focalization occurred at low frequencies. In conclusion, to achieve a frequency filter, it is sufficient to use a “random” structure; to harvest energy, a precise manipulation is preferable. Those results establish the beginning of a new development of mechanical metamaterials: geometry optimization in order to acquire the maximum possible efficiency.

L’uomo ha da sempre cercato di sfruttare le risorse in modo da ottenere la massima efficienza con il minor spreco. I metamateriali ne sono il perfetto esempio: è possibile ottenere proprietà macroscopiche insolite attraverso particolari geometrie, indipendentemente dalla composizione chimica. In questo contesto troviamo cristalli fotonici e fononici: strutture periodiche la cui relazione di dispersione mostra delle interruzioni dette bandgaps dove le onde, elettromagnetiche o meccaniche, non possono propagare. L’obiettivo di questa tesi sui metamateriali meccanici è di poter manipolare tali onde così da permetterne il convogliamento dell’energia per raccoglierla (Energy Harvesting). Per capire il fenomeno di propagazione delle onde, sono state studiate due strutture 1D e 2D, sia senza sia con difetto: per frequenze interne al bandgap abbiamo ottenuto localizzazione dell’onda solamente nel difetto. È facile intuire quindi che i modi locali all’interno del bandgap sono di fatto eigenmodes del difetto stesso. Lo stesso iter è stato seguito su una struttura 3D. Sono stati elaborati diversi prototipi. Gli aperiodici hanno dimostrato che per frequenze tipiche del bandgap sono i soli “difetti” ad essere responsabili di modi locali. Dovrebbe essere possibile introdurre delle patches piezoelettriche sulle travi coinvolte in modo da raccogliere energia. In particolare, il prototipo “Random” mostra un’attenuazione della trasmissione simile al caso della struttura periodica, ma dovuta a fenomeni di risonanza locale. Un modello analitico spiega questo fenomeno. I prototipi “a lente” nascono dal tentativo di introdurre delle guide d’onda in una struttura 3D. Una focalizzazione avviene a basse frequenze. In conclusione, per ottenere un filtro è possibile utilizzare una struttura aperiodica. Per quanto riguarda l’EH, è preferibile un’attenta manipolazione. Questi risultati si pongono come l’inizio di un nuovo sviluppo nell’ambito dei metamateriali meccanici: l’ottimizzazione delle geometrie in modo da ottenere la massima efficienza possibile.