Новое применение лазерных технологий: активизация исследований метаматериалов

Метаматериалы, хотя и изготовлены из обычных полимеров, керамики и металлов, обладают необычайными свойствами благодаря своей сложной и точной микроструктуре.
С помощью компьютерного моделирования инженеры могут комбинировать любое количество микроструктур и наблюдать, как трансформируются определенные материалы, например, чтобы увидеть, как определенные материалы можно превратить в звукофокусирующие акустические линзы или легкие пуленепробиваемые мембраны.
Но моделирование моделирования может зайти так далеко. Физические испытания метаматериалов необходимы, чтобы определить, достигнут ли они желаемых результатов. Но не существует надежного способа толкать и тянуть метаматериалы в микроскопическом масштабе и смотреть, как они будут реагировать, не касаясь и не повреждая при этом структуру метаматериала.
Чтобы решить эту проблему, исследователи Массачусетского технологического института разработали метод исследования метаматериалов с помощью двухлучевой лазерной системы: один лазерный луч быстро освещает структуру, а другой лазерный луч измеряет реакцию структуры на вибрации, что очень похоже на удар в колокол. молоток и запись его реверберации. В отличие от молотка, лазеры не вступают в физический контакт. Тем не менее, они создают вибрации в крошечных балках и стойках метаматериала, как если бы конструкция была физически ударена, растянута или срезана.
Изображение На этой оптической микрофотографии показан массив микроскопических образцов метаматериала на отражающей подложке.
Затем инженеры могут использовать полученные вибрации для расчета различных динамических свойств материала, например, того, как он реагирует на удары и как он поглощает или рассеивает звук. Используя сверхбыстрые лазерные импульсы, они могут возбуждать и измерять сотни микроструктур за считанные минуты. Этот метод впервые обеспечивает безопасный, надежный и высокопроизводительный метод динамического определения характеристик микромасштабных метаматериалов.
«Благодаря такому подходу мы можем ускорить открытие лучших материалов с желаемыми свойствами». Об этом сообщил профессор Карлос Портела, исследователь Школы машиностроения Массачусетского технологического института. Исследовательская группа называет этот метод LIRAS (лазерно-индуцированная резонансная акустическая спектроскопия).
Портела использовал метаматериалы, изготовленные из обычных полимеров, которые он напечатал на 3D-принтере в виде крошечных башен, похожих на строительные леса, из микроскопических стоек и миниатюрных балок. Каждая башня создана путем повторения и наслаивания отдельных геометрических единиц, таких как восьмиугольная конфигурация соединительных балок. При укладке встык башенная конструкция может придать всему полимеру свойства, которых в противном случае он не имел бы.
Но возможности инженеров по физическому тестированию и проверке свойств метаматериалов сильно ограничены. Наноиндентирование — это типичный способ исследования таких микроструктур, хотя и очень осторожный и контролируемый. В этом методе используется наконечник микронного размера, который медленно нажимает на структуру, одновременно измеряя крошечные смещения и силы при сжатии структуры.
Но этот метод можно применить только очень быстро и он может повредить конструкцию», — говорит Портела. Мы хотели найти способ измерить динамическое поведение этих структур в первоначальной реакции на сильное воздействие, не разрушая их».
Команда разработала лазерный ультразвук — неразрушающий метод, который использует короткие лазерные импульсы, настроенные на ультразвуковые частоты, для бесконтактного возбуждения очень тонких материалов (например, золотых пленок). Лазерное возбуждение производит ультразвуковые волны в диапазоне частот, которые могут вызвать вибрацию пленки на определенной частоте, которую ученые могут использовать для определения точной толщины пленки с точностью до нанометра. Этот метод также можно использовать для определения наличия дефектов на пленке.
Команда поняла, что ультразвуковые лазеры также могут безопасно вызывать вибрацию их трехмерных башен из метаматериала; эти башни, высота которых варьируется от 50 до 200 микрометров, в микроскопическом масштабе похожи на тонкие пленки.
Чтобы проверить эту идею, исследователи построили настольное устройство, состоящее из двух ультразвуковых лазеров — «импульсного» лазера для возбуждения образца метаматериала и «зондового» лазера для измерения возникающих вибраций. «Зондовый» лазер для измерения возникающих вибраций.
Затем исследователи напечатали сотни микроскопических башен, каждая из которых имеет определенную высоту и структуру, на чипе размером меньше ногтя. Они поместили эту микроскопическую структуру метаматериалов в два лазерных блока, а затем возбудили башни повторяющимися ультракороткими импульсами. Затем второй лазер измерил вибрации каждой башни. Оттуда команда собирала данные и искала закономерности вибраций.
Изображение Башня, напечатанная на 3D-принтере. Исследователи Массачусетского технологического института использовали лазер для безопасного сканирования микробашен из метаматериала, что вызвало вибрации, которые затем были зафиксированы вторым лазером и проанализированы, чтобы сделать вывод о динамических свойствах конструкции, таких как жесткость в ответ на удары.
Мы возбуждали все эти конструкции лазером, как если бы мы ударяли по ним молотком», — сказал Портела. Мы зафиксировали колебания сотен башен, которые колебались немного по-разному. Из этого мы можем проанализировать эти колебания и извлечь динамические свойства. каждой конструкции, например, их ударопрочность и скорость, с которой ультразвуковые волны распространяются через них».
Исследователи использовали ту же технику для сканирования пилонов на наличие дефектов. Они напечатали в 3D несколько башен без дефектов, а затем напечатали те же конструкции с разной степенью дефектов, таких как отсутствующие стойки и балки (которые даже меньше, чем эритроциты).
Портела говорит: «Поскольку каждая башня имеет вибрационную сигнатуру, мы обнаружили, что чем больше дефектов мы вносим в одну и ту же структуру, тем больше меняется эта сигнатура. Если вы обнаружите структуру с немного другой сигнатурой, вы знаете, что она не идеальна».
По его словам, ученые могли бы легко воссоздать лазерное устройство в своих собственных лабораториях. Тогда открытие практических метаматериалов реального мира ускорится. В случае с Портелой он увлечен созданием и тестированием метаматериалов для фокусировки ультразвуковых волн, например, для повышения чувствительности ультразвуковых датчиков. Он также исследует ударопрочные метаматериалы, например, для создания вкладышей внутри велосипедных шлемов.
По словам исследователей, характеристика динамического поведения метаматериалов с помощью этого исследования поможет изучить крайности метаматериалов. Исследование было опубликовано в журнале Nature.