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Nature：麻省理工的「新型激光设备」颠覆微观材料测试

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发布时间：2023-11-20

 

超材料是工程奇迹的产物。它们由日常聚合物、陶瓷和金属制成。当这些普通材料在微观尺度上被精确地构造成错综复杂的结构时，它们就会具有非凡的特性。

 

在计算机模拟的帮助下，工程师们可以任意组合微观结构，观察某些材料如何转变。例如，变成声音聚焦的声学透镜或轻质防弹薄膜。

 

但是，模拟只能让设计走到这一步。要确定超材料是否能达到预期效果，必须对其进行物理测试。而一直以来，都没有可靠的方法在微观尺度上对超材料进行推拉、了解它们将如何反应，同时在此过程中又不会接触到超材料并对其结构造成物理损坏。

 

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，可以加快发现具有实际应用前景的超材料。

 

 
超材料振动的激光诱导激发和探测。新技术使用激光安全地扫描超材料的微观塔，诱发振动，然后用第二道激光捕捉振动并进行分析，从而推断出结构的动态特性，例如对冲击的响应刚度
 
该技术由麻省理工学院的工程师开发，并将其命名为 LIRAS（laser-induced resonant acoustic spectroscopy，激光诱导共振声学光谱）。团队利用两个激光系统探测超材料：一个用于快速照射结构，另一个用于测量结构的振动响应方式，就像用木槌敲击钟声并记录其混响一样。与木槌相比，激光没有任何物理接触；然而，它们却能在超材料的微小横梁和支杆上产生振动，就像对结构进行物理敲击、拉伸或剪切一样。
 
然后，工程师们就可以利用产生的振动来计算材料的各种动态特性，例如材料对撞击的反应以及材料对声音的吸收或散射。利用超快激光脉冲，他们可以在几分钟内激发并测量数百个微型结构。这项新技术首次为动态表征微尺度超材料提供了一种安全、可靠和高通量的方法。
 
“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布里特和亚历克斯-达贝洛夫职业发展教授卡洛斯·波特拉（Carlos Portela）说：“有了这种方法，我们就能根据客户想要的特性，加速发现最佳材料。”
 
 
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，例如在受到强烈撞击时的初始反应，但又不会破坏它们。”
 
研究小组转而采用激光超声技术是一种无损方法，它使用调谐到超声频率的短激光脉冲，在不实际接触金膜等极薄材料的情况下激发它们。激光激发产生的超声波在一定范围内可以引起薄膜的振动频率，科学家可以利用这种频率确定薄膜的精确厚度，精确到纳米级。这种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，超声波激光器也可以安全地诱导他们的三维超材料塔产生振动；超材料塔的高度从50微米到200微米不等，大约是人类头发直径的两倍，与薄膜的微观尺度相似。
 
超材料的LIRAS动态测量
 
振动缺陷识别
 
他说，科学家们可以很容易地在自己的实验室里重新创建激光装置；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。
 
“我们知道，制造减缓冲击和撞击的材料有多么重要。现在，通过我们的研究，我们第一次可以描述超材料的动态行为，并将其探索到极致。”
 
参考链接：
[1]https://hoodline.com/2023/11/mit-engineers-revolutionize-metamaterial-testing-with-laser-induced-resonant-acoustic-spectroscopy/
[2]https://news.mit.edu/2023/new-laser-setup-probes-metamaterial-structures-ultrafast-pulses-1115
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03159-3
 

 

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