Ново приложение на лазерна технология: Стимулиране на изследванията върху метаматериалите

Метаматериалите, макар и направени от ежедневни полимери, керамика и метали, имат изключителни свойства поради сложните си и сложни прецизни микроструктури.
С помощта на компютърни симулации инженерите могат да комбинират произволен брой микроструктури и да наблюдават как определени материали се трансформират, например, за да видят как определени материали могат да бъдат трансформирани в звукофокусиращи акустични лещи или леки бронирани мембрани.
Но симулационният дизайн може да стигне само толкова далеч. Физическите тестове на метаматериалите са необходими, за да се определи дали те ще постигнат желаните резултати. Но не е имало надежден начин за натискане и издърпване на метаматериали в микроскопичен мащаб и да се види как те ще реагират, без да докосват и физически увреждат структурата на метаматериала в процеса.
За да решат този проблем, изследователите от Масачузетския технологичен институт са разработили техника за изследване на метаматериали с помощта на двулъчева лазерна система - единият лазерен лъч бързо осветява структурата, а другият лазерен лъч измерва начина, по който структурата реагира на вибрации, подобно на удряне на камбана с чук и записване на ехтенето му. За разлика от чука, лазерите нямат физически контакт. И все пак те създават вибрации в малките греди и подпори на метаматериала, точно както ако структурата е била физически ударена, опъната или срязана.
Изображение Тази оптична микроснимка показва набор от микроскопични метаматериални проби върху отразяващ субстрат.
След това инженерите могат да използват получените вибрации, за да изчислят различни динамични свойства на материала, като например как реагира на удари и как абсорбира или разпръсква звука. Използвайки свръхбързи лазерни импулси, те могат да възбудят и измерят стотици микроструктури за няколко минути. Тази техника осигурява за първи път безопасен, надежден и високопроизводителен метод за динамично характеризиране на микромащабни метаматериали.
„С този подход можем да ускорим откриването на най-добрите материали въз основа на желаните свойства.“ Професор Карлос Портела, изследовател в Училището по машинно инженерство на MIT, каза. Изследователският екип нарича този метод LIRAS (лазерно индуцирана резонансна акустична спектроскопия).
Портела използва метаматериали, направени от обикновени полимери, които той 3D отпечата в малки подобни на скеле кули, направени от микроскопични подпори и миниатюрни греди. Всяка кула е шарена чрез повтаряне и наслояване на отделни геометрични единици, като например осмоъгълна конфигурация от свързващи греди. Когато са подредени от край до край, конструкцията на кулата може да придаде свойства на целия полимер, които иначе не би имал.
Но инженерите са силно ограничени във възможностите си за физическо тестване и проверка на тези свойства на метаматериала. Наноиндентацията е типичният начин за изследване на такива микроструктури, макар и по много внимателен и контролиран начин. Методът използва връх с микронни размери за бавно натискане надолу върху структурата, като същевременно измерва малките измествания и сили, докато структурата се компресира.
Но тази техника може да се приложи само много бързо и може да повреди структурата", казва Портела. Искахме да намерим начин да измерим динамичното поведение на тези структури в първоначалния отговор на силен удар, без да ги разрушаваме."
Екипът излезе с лазерен ултразвук - неразрушителен метод, който използва къси лазерни импулси, настроени на ултразвукови честоти, за да възбуди много тънки материали (като златни филми) без контакт. Лазерното възбуждане произвежда ултразвукови вълни в диапазон от честоти, които могат да накарат филма да вибрира с определена честота, която учените могат да използват, за да определят точната дебелина на филма с нанометрова точност. Техниката може да се използва и за определяне дали даден филм има дефекти.
Екипът осъзна, че ултразвуковите лазери също могат безопасно да накарат техните 3D метаматериални кули да вибрират; тези кули, чиято височина варира от 50 микрометра до 200 микрометра, са подобни на тънки филми в микроскопичен мащаб.
За да тестват тази идея, изследователите построиха настолно устройство, състоящо се от два ултразвукови лазера - "импулсен" лазер за възбуждане на пробата от метаматериал и "сондов" лазер за измерване на получените вибрации. Лазер "сонда" за измерване на получените вибрации.
След това изследователите отпечатаха стотици микроскопични кули, всяка със специфична височина и структура, върху чип, по-малък от нокът. Те поставиха тази микроскопична структура от метаматериали в две лазерни единици и след това възбудиха кулите с повтарящи се ултракъси импулси. След това вторият лазер измерва вибрациите на всяка кула. Оттам екипът събра данни и потърси модели във вибрациите.
Изображение 3D отпечатана кула. Изследователите на MIT използваха лазер за безопасно сканиране на метаматериалните микрокули, което задейства вибрациите, които след това бяха уловени с втори лазер и анализирани, за да се направи извод за динамичните свойства на структурата, като твърдост в отговор на удари.
Възбудихме всички тези структури с лазера, сякаш ги удряхме с чук", каза Портела. Уловихме трептенията на стотици кули, които се колебаеха по малко по-различни начини. От това можем да анализираме тези трептения и да извлечем динамичните свойства на всяка структура, като тяхната твърдост при удар и скоростта, с която ултразвуковите вълни се разпространяват през тях."
Изследователите са използвали същата техника, за да сканират пилоните за дефекти. Те отпечатаха 3D няколко кули без дефекти и след това отпечатаха същите структури с различна степен на дефекти, като липсващи подпори и греди (които са дори по-малки от червените кръвни клетки).
Портела казва: „Тъй като всяка кула има вибрационен подпис, открихме, че колкото повече дефекти поставяме в една и съща структура, толкова повече се променя този подпис. Ако откриете структура с малко по-различен подпис, знаете, че не е перфектна.“
Учените биха могли лесно да пресъздадат лазерното устройство в собствените си лаборатории, каза той. Тогава откриването на практични, реални метаматериали ще бъде ускорено. В случая на Портела, той е запален по създаването и тестването на метаматериали за фокусиране на ултразвукови вълни, например за увеличаване на чувствителността на ултразвуковите сонди. Той също така проучва устойчиви на удар метаматериали, например за дизайна на подреждането на облицовките вътре в каските за велосипеди.
Характеризирането на динамичното поведение на метаматериалите чрез това изследване ще помогне да се изследват крайностите на метаматериалите, казаха изследователите. Изследването е публикувано в списание Nature.