Ny anvendelse av laserteknologi: øke forskningen på metamaterialer

Metamaterialer, selv om de er laget av hverdagslige polymerer, keramikk og metaller, har ekstraordinære egenskaper på grunn av deres intrikate og komplekse presisjonsmikrostrukturer.
Ved hjelp av datasimuleringer kan ingeniører kombinere et hvilket som helst antall mikrostrukturer og observere hvordan visse materialer forvandles, for eksempel for å se hvordan visse materialer kan transformeres til lydfokuserende akustiske linser eller lette skuddsikre membraner.
Men simuleringsdesign kan bare gå så langt. Fysisk testing av metamaterialer er nødvendig for å avgjøre om de vil oppnå de ønskede resultatene. Men det har ikke vært noen pålitelig måte å presse og trekke på metamaterialer i mikroskopisk skala og se hvordan de vil reagere uten å berøre og fysisk skade metamaterialstrukturen i prosessen.
For å løse dette problemet har MIT-forskere utviklet en teknikk for å undersøke metamaterialer ved hjelp av et to-stråle lasersystem - en laserstråle lyser raskt opp strukturen, og den andre laserstrålen måler måten strukturen reagerer på vibrasjoner, omtrent som å slå en bjelle med en hammer og registrerer dens etterklang. I motsetning til en hammer, gjør lasere ingen fysisk kontakt. Likevel skaper de vibrasjoner i de bittesmå bjelkene og stiverne til metamaterialet, akkurat som om strukturen hadde blitt fysisk truffet, strukket eller skåret.
Bilde Dette optiske mikrofotografiet viser en rekke mikroskopiske metamaterialprøver på et reflekterende underlag.
Ingeniører kan deretter bruke de resulterende vibrasjonene til å beregne en rekke dynamiske egenskaper til materialet, for eksempel hvordan det reagerer på støt og hvordan det absorberer eller sprer lyd. Ved å bruke ultraraske laserpulser kan de begeistre og måle hundrevis av mikrostrukturer i løpet av få minutter. Denne teknikken gir for første gang en sikker, pålitelig og høy gjennomstrømningsmetode for dynamisk karakterisering av mikroskala metamaterialer.
"Med denne tilnærmingen kan vi fremskynde oppdagelsen av de beste materialene basert på de ønskede egenskapene." Professor Carlos Portela, en forsker ved MITs School of Mechanical Engineering, sa. Forskerteamet kaller denne metoden LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela brukte metamaterialer laget av vanlige polymerer, som han 3D-printet til små stillaslignende tårn laget av mikroskopiske stag og miniatyrbjelker. Hvert tårn er mønstret av repeterende og lagdelte individuelle geometriske enheter, for eksempel en åttekantet konfigurasjon av forbindende bjelker. Når stablet ende-til-ende, kan tårnarrangementet gi egenskaper til hele polymeren som den ellers ikke ville hatt.
Men ingeniører er sterkt begrenset i sine muligheter for fysisk testing og verifisering av disse metamaterialegenskapene. Nanoindentasjon er den typiske måten å undersøke slike mikrostrukturer på, om enn på en veldig forsiktig og kontrollert måte. Metoden bruker en spiss i mikronstørrelse for å sakte presse ned på strukturen mens den måler de små forskyvningene og kreftene når strukturen komprimeres.
Men denne teknikken kan bare utføres veldig raskt og kan skade strukturen," sier Portela. Vi ønsket å finne en måte å måle den dynamiske oppførselen til disse strukturene i den første responsen på en sterk påvirkning uten å ødelegge dem."
Teamet kom opp med laser ultralyd – en ikke-destruktiv metode som bruker korte laserpulser innstilt på ultralydfrekvenser for å eksitere svært tynne materialer (som gullfilmer) uten kontakt. Lasereksitasjon produserer ultralydbølger over en rekke frekvenser som kan få filmen til å vibrere ved en viss frekvens, som forskere kan bruke til å bestemme den nøyaktige tykkelsen på filmen med nanometers nøyaktighet. Teknikken kan også brukes til å avgjøre om en film har defekter.
Teamet innså at ultralydslasere også trygt kunne få deres 3D-metamaterialtårn til å vibrere; disse tårnene, som varierer i høyde fra 50 mikrometer til 200 mikrometer, ligner på tynne filmer i mikroskopisk skala.
For å teste denne ideen bygde forskerne en bordplateenhet bestående av to ultralydlasere - en "puls"-laser for å eksitere metamaterialprøven og en "probe"-laser for å måle de resulterende vibrasjonene. En "probe" laser for å måle de resulterende vibrasjonene.
Forskerne trykket deretter hundrevis av mikroskopiske tårn, hver med en bestemt høyde og struktur, på en brikke som er mindre enn en negl. De plasserte denne mikroskopiske strukturen av metamaterialer i to laserenheter og begeistret deretter tårnene med gjentatte ultrakorte pulser. Den andre laseren målte deretter vibrasjonene til hvert tårn. Derfra samlet teamet inn data og så etter mønstre i vibrasjonene.
Bilde 3D-trykt tårn. MIT-forskerne brukte en laser for å trygt skanne metamaterialets mikrotårn, som utløste vibrasjonene, som deretter ble fanget opp med en andre laser og analysert for å utlede strukturens dynamiske egenskaper, for eksempel stivhet som respons på støt.
Vi begeistret alle disse strukturene med laseren som om vi slo dem med en hammer," sa Portela. Vi fanget svingningene til hundrevis av tårn, som svingte på litt forskjellige måter. Fra dette kan vi analysere disse svingningene og trekke ut de dynamiske egenskapene av hver struktur, for eksempel deres stivhet til støt og hastigheten som ultralydbølgene forplanter seg gjennom dem."
Forskerne brukte samme teknikk for å skanne pylonene for defekter. De 3D-printet flere defektfrie tårn og printet deretter de samme strukturene med ulik grad av defekter, som manglende stag og bjelker (som er enda mindre enn røde blodlegemer).
Portela sier: "Siden hvert tårn har en vibrasjonssignatur, fant vi ut at jo flere defekter vi legger inn i den samme strukturen, jo mer endres denne signaturen. Hvis du oppdager en struktur med en litt annen signatur, vet du at den ikke er perfekt."
Forskere kan enkelt gjenskape laserenheten i sine egne laboratorier, sa han. Oppdagelsen av praktiske, virkelige metamaterialer ville da bli akselerert. I Portelas tilfelle er han lidenskapelig opptatt av å lage og teste metamaterialer for å fokusere ultralydbølger, for eksempel for å øke følsomheten til ultralydprober. Han utforsker også slagfaste metamaterialer, for eksempel for design av liner-arrangementer inne i sykkelhjelmer.
Å karakterisere den dynamiske oppførselen til metamaterialer gjennom denne forskningen vil bidra til å utforske ytterpunktene til metamaterialer, sa forskerne. Studien ble publisert i tidsskriftet Nature.