新的激光装置利用超快脉冲探测超材料结构
超材料是工程魔法的产物。它们由日常聚合物、陶瓷和金属制成。当在复杂的建筑中以微观尺度精确构建时，这些普通材料可以具有非凡的性能。
在计算机模拟的帮助下，工程师可以研究微观结构的任意组合，以了解某些材料如何转变为声音聚焦声学透镜或轻质防弹薄膜等。
但模拟只能实现目前的设计。要确定超材料是否符合预期，必须对其进行物理测试。但目前还没有可靠的方法可以在微尺度上推动和拉动超材料，并了解它们将如何响应，而无需在此过程中接触和物理损坏结构。
现在，一种新的基于激光的技术提供了一种安全、快速的解决方案，可以加速发现有前途的超材料的实际应用。
这项技术由麻省理工学院的工程师开发，通过两个激光器系统探测超材料——一个用于快速破坏结构，另一个用于测量其振动响应的方式，就像用木槌敲击钟并记录其混响一样。与木槌不同，激光不进行物理接触。然而，它们可以在超材料的微小梁和支柱上产生振动，就好像该结构受到物理撞击、拉伸或剪切一样。
然后，工程师可以利用产生的振动来计算材料的各种动态特性，例如它如何响应冲击以及如何吸收或散射声音。利用超快激光脉冲，它们可以在几分钟内激发并测量数百个微型结构。这项新技术首次提供了一种安全、可靠和高通量的方法来动态表征微尺度超材料。
“我们需要找到更快的方法来测试、优化和调整这些材料，”麻省理工学院机械工程专业职业发展教授 Carlos Portela 说。“通过这种方法，我们可以根据您想要的特性，加速最佳材料的发现。”
Portela 和他的同事在一篇即将发表在《自然》杂志上的论文中详细介绍了他们的新系统，他们将其命名为 LIRAS(激光诱导共振声波谱) 。他在麻省理工学院的合著者包括第一作者 Yun Kai、Somayajulu Dhulipala、Rachel Sun、Jet Lem 和 Thomas Pezeril，以及能源部堪萨斯城国家安全园区的 Washington DeLima。
缓慢的提示
Portela 使用的超材料由普通聚合物制成，他将其 3D 打印成由微观支柱和横梁制成的微型脚手架状塔。每座塔都通过重复和分层单个几何单元来形成图案，例如连接梁的八点配置。当首尾相连地堆叠时，塔式排列可以赋予整个聚合物原本不会具有的特性。
但工程师在物理测试和验证这些超材料特性方面的选择受到严重限制。纳米压痕是探测此类微观结构的典型方法，尽管是以一种非常谨慎和受控的方式。该方法采用微米级尖端缓慢地向下推动结构，同时测量结构被压缩时的微小位移和力。
“但这种技术只能进展这么快，同时也会损坏结构，”波特拉指出。“我们希望找到一种方法来测量这些结构的动态行为，例如在对强烈撞击的最初反应中，但不会破坏它们。”
(元)物质世界
该团队转向激光超声波——一种非破坏性方法，使用调谐到超声波频率的短激光脉冲来激发非常薄的材料，例如金膜，而无需物理接触它们。激光激发产生的超声波在一定范围内，可以导致薄膜以一定频率振动，然后科学家可以利用该频率确定薄膜的精确厚度，精度可达纳米级。该技术还可用于确定薄膜是否存在任何缺陷。
Portela 和他的同事意识到超声波激光器也可以安全地诱导他们的 3D 超材料塔振动;塔的高度从 50 到 200 微米不等，大约是人类头发直径的两倍，与薄膜的微观尺度相似。
为了测试这个想法，加入Portela团队并拥有激光光学专业知识的Yun Kai构建了一个桌面装置，其中包括两个超声波激光器——一个用于激发超材料样品的“脉冲”激光器和一个用于测量由此产生的振动的“探测”激光器。
然后，该团队在一块不大于指甲盖的芯片上打印了数百个微型塔，每个塔都有特定的高度和结构。他们将这座超材料微型城市放置在双激光器装置中，然后用重复的超短脉冲激发塔楼。第二台激光测量了每个塔的振动。然后，该团队收集了数据，并寻找振动模式。
“我们用激光激发所有这些结构，就像用锤子敲击它们一样。然后我们捕捉到数百座塔楼的所有摆动，它们的摆动方式都略有不同，”波特拉说。“然后我们可以分析这些摆动并提取每个结构的动态特性，例如它们响应冲击的刚度，以及超声波穿过它们的速度。”
该团队使用相同的技术来扫描塔架是否存在缺陷。他们打印了几座无缺陷的塔，然后打印了相同的架构，但存在不同程度的缺陷，例如缺少支柱和横梁，每个缺陷都小于红细胞的大小。
“由于每座塔都有一个振动特征，我们发现，在同一结构中放入的缺陷越多，该特征的变化就越大，”波特拉解释道。“您可以想象扫描结构的装配线。如果你检测到签名略有不同，你就知道它并不完美。”
他说科学家可以在自己的实验室中轻松地重建激光装置。然后，波特拉预测实用的、现实世界的超材料的发现将会起飞。就波特拉而言，他热衷于制造和测试聚焦超声波的超材料，例如提高超声波探头的灵敏度。他还在探索抗冲击超材料，例如用于自行车头盔内部的衬里。
“我们知道制造材料来减轻冲击和影响是多么重要，”凯表示。“现在，通过我们的研究，我们第一次能够表征超材料的动态行为，并对其进行极限探索。”
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