Nová aplikácia laserovej technológie: Posilnenie výskumu metamateriálov

Metamateriály, hoci sú vyrobené z bežných polymérov, keramiky a kovov, majú mimoriadne vlastnosti vďaka ich zložitým a komplexným presným mikroštruktúram.
Pomocou počítačových simulácií môžu inžinieri kombinovať ľubovoľný počet mikroštruktúr a pozorovať, ako sa niektoré materiály transformujú, napríklad, aby videli, ako sa niektoré materiály dajú premeniť na akustické šošovky so zameraním na zvuk alebo ľahké nepriestrelné membrány.
Ale simulačný dizajn môže zájsť len tak ďaleko. Fyzické testovanie metamateriálov je nevyhnutné na určenie, či dosiahnu požadované výsledky. Neexistuje však žiadny spoľahlivý spôsob, ako zatlačiť a potiahnuť metamateriály v mikroskopickom meradle a zistiť, ako budú reagovať bez toho, aby sa v procese dotkli a fyzicky poškodili štruktúru metamateriálov.
Na vyriešenie tohto problému vyvinuli výskumníci z MIT techniku ​​​​na skúmanie metamateriálov pomocou dvojlúčového laserového systému – jeden laserový lúč rýchlo osvetľuje štruktúru a druhý laserový lúč meria spôsob, akým štruktúra reaguje na vibrácie, podobne ako udieranie do zvona. paličkou a nahrávanie jej dozvuku. Na rozdiel od paličky nemajú lasery žiadny fyzický kontakt. Napriek tomu vytvárajú vibrácie v malých lúčoch a vzperách metamateriálu, rovnako ako keby bola štruktúra fyzicky zasiahnutá, natiahnutá alebo strihaná.
Obrázok Táto optická mikrofotografia ukazuje rad mikroskopických vzoriek metamateriálov na reflexnom substráte.
Inžinieri potom môžu použiť výsledné vibrácie na výpočet rôznych dynamických vlastností materiálu, napríklad ako reaguje na nárazy a ako absorbuje alebo rozptyľuje zvuk. Pomocou ultrarýchlych laserových impulzov dokážu vybudiť a zmerať stovky mikroštruktúr v priebehu niekoľkých minút. Táto technika po prvýkrát poskytuje bezpečnú, spoľahlivú a vysoko výkonnú metódu na dynamickú charakterizáciu mikromateriálov.
"S týmto prístupom môžeme urýchliť objavovanie najlepších materiálov na základe požadovaných vlastností." Povedal to profesor Carlos Portela, výskumník na strojárskej škole MIT. Výskumný tím nazýva túto metódu LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela použil metamateriály vyrobené z bežných polymérov, ktoré 3D vytlačil do malých veží podobných lešeniu vyrobených z mikroskopických vzpier a miniatúrnych trámov. Každá veža je vzorovaná opakovaním a vrstvením jednotlivých geometrických celkov, ako je napríklad osemuholníková konfigurácia spojovacích trámov. Pri naskladaní od konca ku koncu môže vežové usporiadanie dodať celému polyméru vlastnosti, ktoré by inak nemal.
Inžinieri sú však výrazne obmedzené vo svojich možnostiach fyzického testovania a overovania týchto vlastností metamateriálov. Nanoindentácia je typický spôsob, ako sondovať takéto mikroštruktúry, aj keď veľmi opatrným a kontrolovaným spôsobom. Metóda využíva hrot s mikrónovou veľkosťou na pomalé zatlačenie na štruktúru pri meraní malých posunov a síl, keď sa štruktúra stláča.
Ale táto technika môže byť vykonaná len veľmi rýchlo a môže poškodiť štruktúru," hovorí Portela. Chceli sme nájsť spôsob, ako zmerať dynamické správanie týchto štruktúr v počiatočnej reakcii na silný náraz bez ich zničenia."
Tím prišiel s laserovým ultrazvukom – nedeštruktívnou metódou, ktorá využíva krátke laserové impulzy naladené na ultrazvukové frekvencie na excitáciu veľmi tenkých materiálov (ako sú zlaté filmy) bez kontaktu. Laserová excitácia vytvára ultrazvukové vlny v rozsahu frekvencií, ktoré môžu spôsobiť, že film bude vibrovať pri určitej frekvencii, čo vedci môžu použiť na určenie presnej hrúbky filmu s presnosťou na nanometrov. Táto technika sa môže použiť aj na určenie toho, či má film chyby.
Tím si uvedomil, že ultrazvukové lasery môžu tiež bezpečne prinútiť ich 3D metamateriálové veže, aby vibrovali; tieto veže, ktorých výška sa pohybuje od 50 mikrometrov do 200 mikrometrov, sú v mikroskopickom meradle podobné tenkým filmom.
Na otestovanie tejto myšlienky vedci postavili stolové zariadenie pozostávajúce z dvoch ultrazvukových laserov – „pulzného“ lasera na excitáciu vzorky metamateriálu a „sondového“ lasera na meranie výsledných vibrácií. "sondový" laser na meranie výsledných vibrácií.
Vedci potom vytlačili stovky mikroskopických veží, každú so špecifickou výškou a štruktúrou, na čip menší ako necht. Túto mikroskopickú štruktúru metamateriálov umiestnili do dvoch laserových jednotiek a potom excitovali veže opakovanými ultrakrátkymi impulzmi. Druhý laser potom meral vibrácie každej veže. Odtiaľ tím zbieral údaje a hľadal vzory vo vibráciách.
Obrázok 3D tlačená veža. Výskumníci z MIT použili laser na bezpečné skenovanie metamateriálových mikroveží, ktoré spustili vibrácie, ktoré boli potom zachytené druhým laserom a analyzované, aby sa odvodili dynamické vlastnosti štruktúry, ako je tuhosť v reakcii na otrasy.
Všetky tieto štruktúry sme excitovali laserom, ako keby sme do nich udierali kladivom," povedal Portela. Zachytili sme oscilácie stoviek veží, ktoré oscilovali trochu odlišným spôsobom. Z toho môžeme tieto oscilácie analyzovať a extrahovať dynamické vlastnosti. každej štruktúry, ako je ich tuhosť pri náraze a rýchlosť, ktorou sa cez ne šíria ultrazvukové vlny.“
Výskumníci použili rovnakú techniku ​​na skenovanie pylónov kvôli defektom. 3D vytlačili niekoľko veží bez defektov a potom vytlačili rovnaké štruktúry s rôznym stupňom defektov, ako sú chýbajúce vzpery a nosníky (ktoré sú dokonca menšie ako červené krvinky).
Portela hovorí: "Keďže každá veža má vibračný podpis, zistili sme, že čím viac defektov vložíme do rovnakej štruktúry, tým viac sa tento podpis zmení. Ak objavíte štruktúru s mierne odlišným podpisom, viete, že to nie je dokonalé."
Vedci by mohli ľahko obnoviť laserové zariadenie vo svojich vlastných laboratóriách, povedal. Objavenie praktických metamateriálov v reálnom svete by sa potom urýchlilo. V prípade Portela sa venuje vytváraniu a testovaniu metamateriálov na zaostrovanie ultrazvukových vĺn, napríklad na zvýšenie citlivosti ultrazvukových sond. Skúma tiež metamateriály odolné voči nárazom, napríklad pre dizajn usporiadania vložiek vo vnútri cyklistických prilieb.
Charakterizácia dynamického správania metamateriálov prostredníctvom tohto výskumu pomôže preskúmať extrémy metamateriálov, uviedli vedci. Štúdia bola publikovaná v časopise Nature.