En los meses de verano, el murmullo incesante del tráfico y los aires acondicionados se convierte en la banda sonora de muchas ciudades en España. Es un mal necesario para combatir el calor, pero que genera una contaminación acústica constante, lo que implica severos riesgos para la salud.

Durante décadas, la única solución efectiva para bloquear este y otros ruidos, como los de los vecinos, ha sido ponerse tapones en los oídos o levantar barreras físicas a base de materiales con propiedades aislantes, muy efectivos en algunos casos, pero con una desventaja clave: no dejan pasar el aire ni la luz.

Frente a este problema, un equipo de investigación de la Universidad de Boston lleva años trabajando en una innovadora solución. En 2019 presentaron una estructura capaz de bloquear el sonido de manera eficaz sin impedir el paso del aire, lo que permitiría, por ejemplo, fabricar ventiladores y equipos de refrigeración totalmente silenciosos.

Ahora, según explican en un artículo publicado en Scientific Reports, han mejorado las propiedades de este metamaterial acústico, un 'escudo sonoro' capaz de reducir o eliminar distintos tipos de ruido en un alto porcentaje sin impedir el paso del aire. Si en un inicio buscaban reducir frecuencias muy concretas, el nuevo enfoque de "banda ancha" ha ampliado el potencial y los casos de uso.

"Es parecido a unos auriculares con cancelación de ruido, que silencian una amplia gama de sonidos no deseados", explica Xin Zhang, jefa del laboratorio responsable de la investigación, en un comunicado de prensa. Así, más allá de los aires acondicionados, este novedoso silenciador también podría aplicarse en "fábricas, oficinas y espacios públicos donde los ruidos no se limitan a una frecuencia previsible".

Cómo funciona

El dispositivo se presenta como un cilindro o un rectángulo de plástico con una apariencia engañosamente simple. Sin embargo, su geometría interna es la clave de sus extraordinarias capacidades.

A diferencia de los materiales convencionales que absorben o bloquean el sonido por su masa y densidad, los metamateriales acústicos deben sus propiedades a su compleja estructura, en este caso un patrón calculado con extrema precisión.

Bautizado como PGUOM (siglas en inglés de metamaterial ultraabierto de gradiente de fase), este nuevo metamaterial consigue silenciar un amplio espectro de sonidos, aunque eso implica una pequeña reducción en su rendimiento máximo.

“Los diseños anteriores eran como sintonizar una radio para bloquear una sola emisora”, explica Zhang. “PGUOM adopta un enfoque más inteligente. Sigue siendo muy efectivo aunque el ruido cambie de altura o intensidad, lo que lo hace mucho más práctico en lugares dinámicos, como oficinas diáfanas, sistemas de ventilación o estaciones de transporte, donde las fuentes de sonido son imprevisibles y cubren un amplio rango de frecuencias”.

Cómo se fabrica

Para entender su revolucionario diseño, se puede imaginar el PGUOM como un sistema de construcción modular increíblemente avanzado. El componente fundamental es la 'célula unitaria', un bloque individual cuya complejidad reside en su interior, donde un laberinto en espiral está específicamente diseñado para manipular el sonido.

Sin embargo, la verdadera clave del sistema reside en la combinación de estos bloques. Los investigadores unen tres células unitarias distintas, cada una con su propio diseño interno, en un orden específico para formar una 'supercélula'.

Al ordenar las células de esta manera, se crea un gradiente de fase, una propiedad que guía de forma secuencial y controlada a las ondas sonoras a medida que viajan a través de la estructura. Este proceso es el que consigue el efecto deseado: en lugar de rebotar o ser absorbido, el sonido se transforma en ondas de superficie falsas, que se deslizan por el material sin poder atravesarlo.

Dada la extrema complejidad de estos laberintos internos, la fabricación del metamaterial es imposible con métodos tradicionales y la única vía es la impresión 3D de alta resolución, que construye el objeto capa por capa con resina plástica.

Esta técnica permite crear los diminutos canales internos con una precisión micrométrica, algo esencial para su correcto funcionamiento. El principal reto es, precisamente, la resolución de la impresora, ya que las estructuras deben tener un tamaño acorde a la longitud de onda del sonido que se quiere bloquear. Los sonidos más agudos, con una longitud de onda corta, exigen detalles tan pequeños que llevan al límite la tecnología de impresión actual.

“Nuestro diseño no es universal, y esa es una fortaleza”, señala Zhang. “Se puede personalizar tanto en el rango de frecuencias como en el nivel de flujo de aire, dependiendo de la aplicación”.

Del laboratorio a la realidad

Los avances del equipo no son solo teóricos y han pasado con éxito de las simulaciones en el laboratorio a los prototipos físicos. El siguiente paso es escalar la producción y darle utilidad en el mundo real.

"Nos estamos centrando en integrar nuestros diseños en productos y aplicaciones específicas, al tiempo que optimizamos los metamateriales para procesos de fabricación escalables", sostiene Zhang. Mientras tanto, la líder del Zhang Lab y sus pupilos trabajan en ampliar aún más las frecuencias que puede atenuar el PGUOM, "preservando una baja resistencia al flujo de aire y minimizando el grosor total".

Su empeño no es baladí, ya que la contaminación acústica es un problema de salud pública muy preocupante. "La exposición crónica a ruidos excesivos —a menudo ignorada frente a la contaminación del aire o del agua— puede afectar gravemente la salud, contribuyendo a la pérdida auditiva, trastornos del sueño, aumento del estrés e incluso enfermedades cardiovasculares", señala la propia Zhang.

Gracias a estos nuevos avances centrados en hacer los materiales más ligeros y capaces de bloquear todo tipo de frecuencias de banda ancha, el equipo de la Universidad de Boston quiere dar el paso definitivo hacia un mundo más silencioso, tranquilo y saludable.