Laserteknologian uusi sovellus: metamateriaalien tutkimuksen tehostaminen

Metamateriaaleilla, jotka on valmistettu jokapäiväisistä polymeereistä, keramiikasta ja metalleista, on poikkeuksellisia ominaisuuksia niiden monimutkaisten ja monimutkaisten tarkkojen mikrorakenteiden ansiosta.
Tietokonesimulaatioiden avulla insinöörit voivat yhdistää minkä tahansa määrän mikrorakenteita ja tarkkailla, kuinka tietyt materiaalit muuntuvat esimerkiksi nähdäkseen, kuinka tietyt materiaalit voidaan muuntaa ääntä tarkentaviksi akustisiksi linsseiksi tai kevyiksi luodinkestäviksi kalvoiksi.
Mutta simulaatiosuunnittelu voi mennä vain niin pitkälle. Metamateriaalien fyysinen testaus on tarpeen sen määrittämiseksi, saavuttavatko ne halutut tulokset. Mutta ei ole ollut luotettavaa tapaa työntää ja vetää metamateriaaleja mikroskooppisessa mittakaavassa ja nähdä, kuinka ne reagoivat koskematta ja fyysisesti vahingoittamatta metamateriaalirakennetta prosessissa.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi MIT-tutkijat ovat kehittäneet tekniikan metamateriaalien tutkimiseksi käyttämällä kaksisäteistä laserjärjestelmää – yksi lasersäde valaisee rakenteen nopeasti ja toinen lasersäde mittaa rakenteen tapaa reagoida tärinään, aivan kuten kellon lyöminen vasaran ja tallentaa sen jälkikaiunta. Toisin kuin nuija, laserilla ei ole fyysistä kosketusta. Silti ne luovat tärinää metamateriaalin pieniin palkkeihin ja tukiin, aivan kuin rakennetta olisi fyysisesti lyöty, venytetty tai leikattu.
Image Tämä optinen mikrovalokuva näyttää joukon mikroskooppisia metamateriaalinäytteitä heijastavalla alustalla.
Insinöörit voivat sitten käyttää tuloksena olevia tärinöitä laskeakseen erilaisia ​​materiaalin dynaamisia ominaisuuksia, kuten kuinka se reagoi iskuihin ja kuinka se absorboi tai hajottaa ääntä. Ultranopeilla laserpulsseilla ne voivat virittää ja mitata satoja mikrorakenteita muutamassa minuutissa. Tämä tekniikka tarjoaa ensimmäistä kertaa turvallisen, luotettavan ja tehokkaan menetelmän mikromittakaavaisten metamateriaalien dynaamiseen karakterisointiin.
"Tällä lähestymistavalla voimme nopeuttaa parhaiden materiaalien löytämistä haluttujen ominaisuuksien perusteella." Professori Carlos Portela, MIT:n konetekniikan korkeakoulun tutkija, sanoi. Tutkimusryhmä kutsuu tätä menetelmää LIRAS:ksi (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela käytti tavallisista polymeereistä valmistettuja metamateriaaleja, jotka hän 3D-tulosti pieniksi telinemäisiksi torneiksi, jotka oli tehty mikroskooppisista tuista ja pienoispalkeista. Jokainen torni on kuvioitu toistamalla ja kerrostamalla yksittäisiä geometrisia yksiköitä, kuten yhdyspalkkien kahdeksankulmainen kokoonpano. Päästä päähän pinottu tornijärjestely voi antaa koko polymeerille ominaisuuksia, joita sillä ei muuten olisi.
Mutta insinöörien mahdollisuudet fyysiseen testaukseen ja näiden metamateriaalien ominaisuuksien tarkistamiseen ovat erittäin rajalliset. Nanoindentaatio on olennainen tapa tutkia tällaisia ​​mikrorakenteita, vaikkakin erittäin huolellisella ja kontrolloidulla tavalla. Menetelmässä käytetään mikronin kokoista kärkeä työntämään rakennetta hitaasti alas samalla kun mitataan pieniä siirtymiä ja voimia rakenteen puristuessa.
Mutta tämä tekniikka voidaan toteuttaa vain hyvin nopeasti ja se voi vahingoittaa rakennetta", Portela sanoo. Halusimme löytää tavan mitata näiden rakenteiden dynaamista käyttäytymistä ensimmäisessä vasteessa voimakkaaseen iskuun tuhoamatta niitä."
Tiimi keksi laserultraäänen - tuhoamattoman menetelmän, joka käyttää lyhyitä ultraäänitaajuuksille viritettyjä laserpulsseja erittäin ohuiden materiaalien (kuten kultakalvojen) virittämiseen ilman kosketusta. Laserviritys tuottaa ultraääniaaltoja useilla taajuuksilla, jotka voivat saada kalvon värähtelemään tietyllä taajuudella, jonka avulla tutkijat voivat määrittää kalvon tarkan paksuuden nanometrin tarkkuudella. Tekniikkaa voidaan käyttää myös sen määrittämiseen, onko kalvossa vikoja.
Tiimi ymmärsi, että ultraäänilaserit voivat myös turvallisesti saada 3D-metamateriaalitorninsa värähtelemään; nämä tornit, joiden korkeus vaihtelee 50 mikrometristä 200 mikrometriin, ovat samanlaisia ​​kuin ohuet kalvot mikroskooppisessa mittakaavassa.
Tämän idean testaamiseksi tutkijat rakensivat pöytälaitteen, joka koostui kahdesta ultraäänilaserista - "pulssilaserin" metamateriaalinäytteen virittämistä varten ja "koetinlaserin" tuloksena olevien värähtelyjen mittaamiseksi. "Anturi" laser mittaamaan tuloksena olevaa tärinää.
Sitten tutkijat tulostivat satoja mikroskooppisia torneja, joilla kullakin oli tietty korkeus ja rakenne, sormenkynttä pienemmälle sirulle. He asettivat tämän metamateriaalien mikroskooppisen rakenteen kahteen laseryksikköön ja herättivät sitten tornit toistuvilla ultralyhyillä pulsseilla. Toinen laser mittasi sitten kunkin tornin värähtelyt. Sieltä tiimi keräsi tietoja ja etsi värähtelykuvioita.
Kuva 3D-tulostettu torni. MIT-tutkijat käyttivät laseria skannatakseen turvallisesti metamateriaalin mikrotorneja, jotka laukaisivat värähtelyt, jotka sitten vangittiin toisella laserilla ja analysoitiin rakenteen dynaamisten ominaisuuksien, kuten iskujen jäykkyyden, päättelemiseksi.
Kiihotimme kaikki nämä rakenteet laserilla ikään kuin lyömme niitä vasaralla", Portela kertoi. Vangisimme satojen tornien värähtelyt, jotka värähtelivät hieman eri tavoin. Tästä voimme analysoida näitä värähtelyjä ja poimia dynaamiset ominaisuudet. jokaisesta rakenteesta, kuten niiden törmäysjäykkyydestä ja nopeudesta, jolla ultraääniaallot etenevät niiden läpi."
Tutkijat käyttivät samaa tekniikkaa pylväiden skannaamiseen vikojen varalta. He 3D-tulostivat useita virheettömiä torneja ja tulostivat sitten samat rakenteet, joissa oli eriasteisia vikoja, kuten puuttuvia tukia ja palkkeja (jotka ovat jopa pienempiä kuin punasolut).
Portela sanoo: "Koska jokaisella tornilla on värinämerkki, huomasimme, että mitä enemmän vikoja laitamme samaan rakenteeseen, sitä enemmän tämä allekirjoitus muuttuu. Jos havaitset rakenteen, jolla on hieman erilainen allekirjoitus, tiedät, että se ei ole täydellinen."
Tutkijat voisivat helposti luoda laserlaitteen uudelleen omissa laboratorioissaan, hän sanoi. Käytännön, todellisen maailman metamateriaalien löytäminen nopeutuisi silloin. Portelan tapauksessa hän on intohimoinen metamateriaalien luomiseen ja testaamiseen ultraääniaaltojen fokusoimiseksi, esimerkiksi ultraääniantureiden herkkyyden lisäämiseksi. Hän tutkii myös iskunkestäviä metamateriaaleja, esimerkiksi pyöräilykypärän sisäosien suunnitteluun.
Tutkijat sanoivat, että metamateriaalien dynaamisen käyttäytymisen karakterisointi tämän tutkimuksen avulla auttaa tutkimaan metamateriaalien ääripäät. Tutkimus julkaistiin Nature-lehdessä.