Ny tillämpning av laserteknik: Öka forskningen om metamaterial

Metamaterial, även om de är gjorda av vanliga polymerer, keramik och metaller, har extraordinära egenskaper på grund av sina invecklade och komplexa precisionsmikrostrukturer.
Med hjälp av datorsimuleringar kan ingenjörer kombinera hur många mikrostrukturer som helst och observera hur vissa material omvandlas, till exempel för att se hur vissa material kan omvandlas till ljudfokuserande akustiska linser eller lätta skottsäkra membran.
Men simuleringsdesign kan bara gå så långt. Fysisk testning av metamaterial är nödvändig för att avgöra om de kommer att uppnå önskade resultat. Men det har inte funnits något tillförlitligt sätt att trycka och dra på metamaterial i mikroskopisk skala och se hur de kommer att reagera utan att röra och fysiskt skada metamaterialstrukturen i processen.
För att lösa detta problem har MIT-forskare utvecklat en teknik för att undersöka metamaterial med hjälp av ett tvåstrålat lasersystem - en laserstråle belyser snabbt strukturen, och den andra laserstrålen mäter hur strukturen reagerar på vibrationer, ungefär som att slå en klocka med en klubba och spelar in dess efterklang. Till skillnad från en klubba gör lasrar ingen fysisk kontakt. Ändå skapar de vibrationer i de små balkarna och strävorna i metamaterialet, precis som om strukturen hade slagits, sträckts eller klippts fysiskt.
Bild Detta optiska mikrofotografi visar en rad mikroskopiska metamaterialprover på ett reflekterande substrat.
Ingenjörer kan sedan använda de resulterande vibrationerna för att beräkna en mängd olika dynamiska egenskaper hos materialet, till exempel hur det reagerar på stötar och hur det absorberar eller sprider ljud. Med hjälp av ultrasnabba laserpulser kan de excitera och mäta hundratals mikrostrukturer på några minuter. Denna teknik ger för första gången en säker, pålitlig och hög genomströmningsmetod för att dynamiskt karakterisera mikroskala metamaterial.
"Med detta tillvägagångssätt kan vi påskynda upptäckten av de bästa materialen baserat på de önskade egenskaperna." Professor Carlos Portela, en forskare vid MIT:s School of Mechanical Engineering, sa. Forskargruppen kallar denna metod LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela använde metamaterial gjorda av vanliga polymerer, som han 3D-printade till små ställningsliknande torn gjorda av mikroskopiska stag och miniatyrbalkar. Varje torn mönstras genom att upprepa och skikta individuella geometriska enheter, såsom en åttakantig konfiguration av anslutande balkar. När det är staplat ände mot ände kan tornarrangemanget ge hela polymeren egenskaper som den annars inte skulle ha.
Men ingenjörer är allvarligt begränsade i sina möjligheter att fysiskt testa och verifiera dessa metamaterialegenskaper. Nanoindentation är det avgörande sättet att undersöka sådana mikrostrukturer, om än på ett mycket försiktigt och kontrollerat sätt. Metoden använder en spets i mikronstorlek för att långsamt trycka ner strukturen samtidigt som man mäter de små förskjutningarna och krafterna när strukturen komprimeras.
Men den här tekniken kan bara utföras mycket snabbt och kan skada strukturen", säger Portela. Vi ville hitta ett sätt att mäta det dynamiska beteendet hos dessa strukturer i den första reaktionen på en stark påverkan utan att förstöra dem."
Teamet tog fram laserultraljud - en oförstörande metod som använder korta laserpulser inställda på ultraljudsfrekvenser för att excitera mycket tunna material (som guldfilmer) utan kontakt. Laserexcitation producerar ultraljudsvågor över en rad frekvenser som kan få filmen att vibrera vid en viss frekvens, som forskare kan använda för att bestämma filmens exakta tjocklek med nanometernoggrannhet. Tekniken kan också användas för att avgöra om en film har defekter.
Teamet insåg att ultraljudslasrar också säkert kunde få deras 3D-metamaterialtorn att vibrera; dessa torn, som varierar i höjd från 50 mikrometer till 200 mikrometer, liknar tunna filmer i mikroskopisk skala.
För att testa denna idé byggde forskarna en bordsenhet bestående av två ultraljudslasrar - en "puls" laser för att excitera metamaterialprovet och en "prob" laser för att mäta de resulterande vibrationerna. En "sond" laser för att mäta de resulterande vibrationerna.
Forskarna tryckte sedan hundratals mikroskopiska torn, vart och ett med en specifik höjd och struktur, på ett chip som var mindre än en fingernagel. De placerade denna mikroskopiska struktur av metamaterial i två laserenheter och exciterade sedan tornen med upprepade ultrakorta pulser. Den andra lasern mätte sedan vibrationerna i varje torn. Därifrån samlade teamet in data och letade efter mönster i vibrationerna.
Bild 3D-tryckt torn. MIT-forskarna använde en laser för att säkert skanna metamaterialets mikrotorn, vilket utlöste vibrationerna, som sedan fångades med en andra laser och analyserades för att härleda strukturens dynamiska egenskaper, såsom styvhet som svar på stötar.
Vi exciterade alla dessa strukturer med lasern som om vi slog dem med en hammare," sa Portela. Vi fångade svängningarna från hundratals torn, som svängde på lite olika sätt. Från detta kan vi analysera dessa svängningar och extrahera de dynamiska egenskaperna av varje struktur, såsom deras styvhet vid stötar och hastigheten med vilken ultraljudsvågorna fortplantar sig genom dem."
Forskarna använde samma teknik för att skanna pylonerna efter defekter. De 3D-printade flera defektfria torn och skrev sedan ut samma strukturer med olika grader av defekter, som saknade stag och balkar (som är ännu mindre än röda blodkroppar).
Portela säger, "Eftersom varje torn har en vibrationssignatur fann vi att ju fler defekter vi lägger in i samma struktur, desto mer förändras denna signatur. Om du upptäcker en struktur med en något annorlunda signatur vet du att den inte är perfekt."
Forskare kan enkelt återskapa laserenheten i sina egna labb, sa han. Upptäckten av praktiska, verkliga metamaterial skulle då påskyndas. I Portelas fall brinner han för att skapa och testa metamaterial för att fokusera ultraljudsvågor, till exempel för att öka känsligheten hos ultraljudssonder. Han utforskar också slagtåliga metamaterial, till exempel för design av liner-arrangemang inuti cykelhjälmar.
Att karakterisera det dynamiska beteendet hos metamaterial genom denna forskning kommer att hjälpa till att utforska ytterligheterna av metamaterial, sa forskarna. Studien publicerades i tidskriften Nature.