超材料雖然是由日常使用的聚合物、陶瓷和金屬制成，但由于其精密的微觀結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，因而具有非凡的特性。
在計算機模擬的幫助下，工程師們可以任意組合微觀結(jié)構(gòu)，觀察某些材料如何轉(zhuǎn)變，比如看看某些材料如何轉(zhuǎn)化為聲聚焦聲學(xué)透鏡或輕質(zhì)防彈膜等。
但是，模擬設(shè)計只能到此為止。要確定超材料是否能達到預(yù)期效果，必須對其進行物理測試。但一直沒有可靠的方法在微觀尺度上對超材料進行推拉，并了解它們將如何反應(yīng)，而在此過程中又不會接觸和物理損壞超材料結(jié)構(gòu)。
為了解決這個問題，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，利用兩束激光系統(tǒng)探測超材料——一束激光快速照射結(jié)構(gòu)，另一束激光測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)方式，就像用木槌敲擊鐘聲并記錄其混響一樣。與木槌相比，激光沒有任何物理接觸。然而，它們卻能在超材料的微小橫梁和支柱上產(chǎn)生振動，就像結(jié)構(gòu)受到物理打擊、拉伸或剪切一樣。
這張光學(xué)顯微照片顯示了反射基板上的微觀超材料樣品陣列
然后，工程師們就可以利用由此產(chǎn)生的振動來計算材料的各種動態(tài)特性，例如材料對沖擊的反應(yīng)以及材料對聲音的吸收或散射。利用超快激光脈沖，他們可以在幾分鐘內(nèi)激發(fā)并測量數(shù)百個微型結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)首次為動態(tài)表征微尺度超材料提供了一種安全、可靠和高通量的方法。
“有了這種方法，我們可以根據(jù)想要的特性，加快最佳材料的發(fā)現(xiàn)。”麻省理工學(xué)院機械工程學(xué)院的研究人員Carlos Portela教授表示。研究團隊將這種方法稱為LIRAS（激光誘導(dǎo)共振聲學(xué)光譜學(xué)）。
Portela使用的超材料是由常見的聚合物制成的，他將這些聚合物3D打印成由微觀支柱和微型梁制成的微小的腳手架狀塔。每座塔都通過重復(fù)和分層單個幾何單元來形成圖案，例如連接梁的八角配置。當(dāng)端對端堆疊時，塔式排列可以賦予整個聚合物原本不具有的特性。
但工程師們在物理測試和驗證這些超材料特性方面的選擇受到嚴重限制。納米壓痕是探測這種微觀結(jié)構(gòu)的典型方式，盡管是以一種非常謹慎和可控的方式。該方法使用微米級尖端緩慢向下推動結(jié)構(gòu)，同時測量結(jié)構(gòu)壓縮時的微小位移和力。
Portela說：“但這種技術(shù)只能進行得很快，且會破壞結(jié)構(gòu)。我們想找到一種方法來測量這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為，在對強烈撞擊的初始反應(yīng)中，又不會破壞它們。”
該團隊想到了激光超聲波——一種非破壞性方法，使用調(diào)諧到超聲頻率的短激光脈沖來激發(fā)非常薄的材料（如金膜），而無需接觸。激光激發(fā)產(chǎn)生的超聲波在一定范圍內(nèi)，可以使薄膜以一定的頻率振動，而科學(xué)家可以利用該頻率來確定薄膜精確厚度，精度可達納米級。該技術(shù)也可用于確定薄膜是否存在缺陷。
研究團隊意識到，超聲波激光器也可以安全地誘導(dǎo)他們的3D超材料塔振動；這些塔的高度從50微米到200微米不等，在微觀尺度上與薄膜相似。
為了驗證這一想法，研究人員建造了一個由兩個超聲波激光器組成的桌面裝置——一個用于激發(fā)超材料樣品的“脈沖”激光器和一個用于測量由此產(chǎn)生的振動的“探測”激光器。
然后，研究人員在一塊小于指甲蓋的芯片上打印了數(shù)百個微觀塔，每個塔都有特定的高度和結(jié)構(gòu)。他們將這座超材料的微型結(jié)構(gòu)放置在兩個激光器裝置中，然后用重復(fù)的超短脈沖激發(fā)塔體。第二臺激光器則測量了每座塔體的振動。由此，研究小組收集了數(shù)據(jù)，并尋找振動的模式。
3D打印的塔體。麻省理工學(xué)院的研究人員使用激光安全地掃描超材料微型塔，從而引發(fā)振動，然后用第二束激光捕獲振動并進行分析，以推斷結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，例如響應(yīng)沖擊的剛度。
Portela說：“我們用激光激發(fā)所有這些結(jié)構(gòu)，就像用錘子擊打它們一樣。我們捕捉到數(shù)百座塔體的擺動，它們的擺動方式略有不同。由此我們可以分析這些擺動，并提取每個結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，例如它們對沖擊的剛度，以及超聲波穿過它們進行傳播的速度。”
研究人員使用同樣的技術(shù)來掃描塔架的缺陷。他們3D打印了幾座無缺陷的塔體，然后打印了相同的結(jié)構(gòu)，但有著不同程度的缺陷，例如缺少支柱和橫梁（這些支柱和梁甚至比紅細胞還小）。
Portela說：“由于每座塔都有一個振動特征，我們發(fā)現(xiàn)，在同一結(jié)構(gòu)中放入的缺陷越多，這種特征的變化就越大。如果你檢測到一個特征略有不同的結(jié)構(gòu)，你就會知道它并不完美。”
他說，科學(xué)家們可以在自己的實驗室里輕松地重新創(chuàng)建激光裝置。然后，實用的、現(xiàn)實世界的超材料的發(fā)現(xiàn)將得以加速發(fā)展。就Portela而言，他熱衷于制造和測試聚焦超聲波的超材料，例如提高超聲波探頭的靈敏度。他也在探索抗沖擊超材料，例如用于自行車頭盔內(nèi)部的襯里排列設(shè)計。
研究人員表示，通過這一研究來表征超材料的動態(tài)行為，有助于探索超材料的極致。該研究發(fā)表在《Nature》雜志上。
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