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(cuò)綜復(fù)雜，因而具有非凡的特性。
在計(jì)算機(jī)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(jì)只能到此為止。要確定超材料是否能達(dá)到預(yù)期效果，必須對(duì)其進(jìn)行物理測(cè)試。但一直沒有可靠的方法在微觀尺度上對(duì)超材料進(jìn)行推拉，并了解它們將如何反應(yīng)，而在此過程中又不會(huì)接觸和物理損壞超材料結(jié)構(gòu)。
為了解決這個(gè)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(cè)超材料——一束激光快速照射結(jié)構(gòu)，另一束激光測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(dòng)，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(dòng)來計(jì)算材料的各種動(dòng)態(tài)特性，例如材料對(duì)沖擊的反應(yīng)以及材料對(duì)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(cè)量數(shù)百個(gè)微型結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)首次為動(dòng)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(jī)械工程學(xué)院的研究人員Carlos Portela教授表示。研究團(tuán)隊(duì)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(gè)幾何單元來形成圖案，例如連接梁的八角配置。當(dāng)端對(duì)端堆疊時(shí)，塔式排列可以賦予整個(gè)聚合物原本不具有的特性。
但工程師們?cè)谖锢頊y(cè)試和驗(yàn)證這些超材料特性方面的選擇受到嚴(yán)重限制。納米壓痕是探測(cè)這種微觀結(jié)構(gòu)的典型方式，盡管是以一種非常謹(jǐn)慎和可控的方式。該方法使用微米級(jí)尖端緩慢向下推動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)壓縮時(shí)的微小位移和力。
Portela說：“但這種技術(shù)只能進(jìn)行得很快，且會(huì)破壞結(jié)構(gòu)。我們想找到一種方法來測(cè)量這些結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為，在對(duì)強(qiáng)烈撞擊的初始反應(yīng)中，又不會(huì)破壞它們。”
該團(tuán)隊(duì)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(dòng)，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(dá)納米級(jí)。該技術(shù)也可用于確定薄膜是否存在缺陷。
研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)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(dòng)；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(yàn)證這一想法，研究人員建造了一個(gè)由兩個(gè)超聲波激光器組成的桌面裝置——一個(gè)用于激發(fā)超材料樣品的“脈沖”激光器和一個(gè)用于測(cè)量由此產(chǎn)生的振動(dòng)的“探測(cè)”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(gè)微觀塔，每個(gè)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(gè)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(tái)激光器則測(cè)量了每座塔體的振動(dòng)。由此，研究小組收集了數(shù)據(jù)，并尋找振動(dòng)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(dòng)，然后用第二束激光捕獲振動(dòng)并進(jìn)行分析，以推斷結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)，它們的擺動(dòng)方式略有不同。由此我們可以分析這些擺動(dòng)，并提取每個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，例如它們對(duì)沖擊的剛度，以及超聲波穿過它們進(jìn)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(xì)胞還?。?。
Portela說：“由于每座塔都有一個(gè)振動(dòng)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(cè)到一個(gè)特征略有不同的結(jié)構(gòu)，你就會(huì)知道它并不完美。”
他說，科學(xué)家們可以在自己的實(shí)驗(yàn)室里輕松地重新創(chuàng)建激光裝置。然后，實(shí)用的、現(xiàn)實(shí)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(cè)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(jì)。
研究人員表示，通過這一研究來表征超材料的動(dòng)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。
