解锁未来材料：激光钥匙先进的超材料结构

麻省理工学院的工程师们开发了一种新的基于激光的方法，LIRAS，来测试超材料的动态特性而不会造成损害。这项技术涉及使用两个激光器来产生和测量振动，可以在微观尺度上更深入地了解聚合物等材料，为超声波技术和防护装备等领域的进步铺平道路。

这项技术可以加速声学透镜、抗冲击薄膜和其他未来材料的发展。

超材料是工程魔法的产物。它们由日常的聚合物、陶瓷和金属制成。当精确地在微观尺度上，在复杂的结构中建造时，这些普通的材料可以呈现出非凡的特性。

在计算机模拟的帮助下，工程师们可以研究任何微观结构的组合，看看某些材料是如何转化的，例如，转化成聚焦声音的声学透镜或轻质防弹薄膜。

但模拟只能让设计走到这一步。要确切地知道一种超材料是否能达到预期的效果，必须对其进行物理测试。但是，目前还没有可靠的方法在微观尺度上对超材料进行推拉，并在不接触和物理破坏超材料结构的情况下了解它们的反应。

创新Laser-based技术

现在，一种基于激光的新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，用于现实世界的应用。

这项技术是由麻省理工学院的工程师开发的，它用两个激光器组成的系统探测超材料——一个用来快速击中一个结构，另一个用来测量它的振动响应方式，就像用木槌敲钟并记录它的混响一样。与木槌不同的是，激光不会产生物理接触。然而，它们可以在超材料的微小梁和支柱上产生振动，就好像结构被物理撞击、拉伸或剪切一样。

这张光学显微照片显示了反射基板上的一系列微观超材料样品。激光脉冲已被数字添加，描绘泵(红色)和探针(绿色)脉冲诊断中心的样本。LIRAS技术在几分钟内扫描基底上的所有样品。图片来源:Carlos Portela, Yun Kai等人提供

动态材料表征

然后，工程师们可以利用产生的振动来计算材料的各种动态特性，比如它对撞击的反应，以及它如何吸收或散射声音。利用超快的激光脉冲，他们可以在几分钟内激发和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、高通量的方法来动态表征微尺度超材料。

现实世界的应用和研究

“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的英国和亚历克斯·达贝洛夫职业发展教授卡洛斯·波特拉说。“通过这种方法，我们可以根据您想要的特性加速发现最佳材料。”

Portela和他的同事在今天(11月15日)的《自然》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了他们的新系统，他们将其命名为LIRAS(激光诱导共振声光谱)。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校区的Washington DeLima。

物理测试的制造和局限性

Portela使用的超材料是由普通聚合物制成的，他将其3d打印成由微观支柱和梁组成的微小的脚手架状塔。每个塔的图案都是通过重复和分层的单一几何单元，例如连接梁的八角配置。当端对端堆叠时，这种塔状结构可以赋予整个聚合物原本不具备的特性。

然而，工程师们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。纳米压痕是探测这种微观结构的典型方法，尽管是以一种非常慎重和可控的方式。该方法使用微米级的尖端缓慢向下推结构，同时测量结构被压缩时的微小位移和力。

“但这种技术只能做到这么快，同时也会破坏结构，”波特拉指出。“我们想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初始反应中，但在某种程度上不会破坏它们。”

(我ta)物质世界

研究小组转向了激光超声波——一种非破坏性的方法，使用调到超声波频率的短激光脉冲，在不接触金薄膜的情况下激发非常薄的材料。激光激发产生的超声波在一定范围内，可以使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，精确到纳米级。该技术还可用于确定薄膜是否存在缺陷。

波特拉和他的同事们意识到，超声波激光也可以安全地诱导他们的3D超材料塔振动;这些塔的高度从50微米到200微米不等，大约是人类头发直径的两倍，在微观尺度上与薄膜相似。

为了验证这个想法，云凯(Yun Kai)——他加入了波特拉的团队，拥有激光光学方面的专业知识——建立了一个由两个超声波激光器组成的桌面装置——一个“脉冲”激光器用于激发超材料样品，一个“探针”激光器用于测量由此产生的振动。

在一个只有指甲大小的芯片上，研究小组打印了数百个微型塔，每个塔都有特定的高度和结构。他们把这个微型的超材料城市放在双激光装置中，然后用重复的超短脉冲激发塔。第二束激光测量每个塔的振动。然后，研究小组收集数据，寻找振动的模式。

“我们用激光激发所有这些结构，就像用锤子敲击它们一样。然后我们从数百座塔上捕捉到所有的摆动，它们都以略有不同的方式摆动，”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，比如它们对冲击的响应刚度，以及超声波通过它们的速度。”

应用与展望

该团队使用同样的技术来扫描塔的缺陷。他们先打印了几个没有缺陷的塔，然后再打印同样的结构，但有不同程度的缺陷，比如缺少支柱和横梁，每一个都比红细胞的大小小。

Portela解释说:“由于每个塔都有振动特征，我们发现我们在同一结构中添加的缺陷越多，这种特征的变化就越大。”“你可以想象扫描一条结构装配线。如果你检测到一个信号略有不同，你就知道它不完美。”

他说，科学家们可以很容易地在自己的实验室里重建激光装置。然后，波特拉预测实用的、真实世界的超材料的发现将会起飞。对于Portela来说，他热衷于制造和测试能够聚焦超声波的超材料，例如提高超声波探头的灵敏度。他还在探索抗冲击的超材料，例如内衬自行车头盔。

“我们知道制造材料来减轻冲击和影响是多么重要，”Kai说。“现在，通过我们的研究，我们第一次可以表征超材料的动态行为，并对它们进行极致探索。”

参考文献:“基于激光诱导振动特征的超材料动态诊断”，作者:Yun Kai, Somayajulu Dhulipala, Rachel Sun, Jet Lem, Washington DeLima, Thomas Pezeril和Carlos M. Portela, 2023年11月15日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06652 - x

这项研究得到了能源部堪萨斯城国家安全校区、国家科学基金会和DEVCOM ARL陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所的部分支持。分享推特reddit电子邮件分享