Нова примена ласерске технологије: јачање истраживања метаматеријала

Метаматериали, иако су направљени од свакодневних полимера, керамике и метала, имају изванредна својства због своје замршене и сложене прецизне микроструктуре.
Уз помоћ компјутерских симулација, инжењери могу комбиновати било који број микроструктура и посматрати како се одређени материјали трансформишу, на пример, да би видели како се одређени материјали могу трансформисати у акустична сочива која фокусирају звук или лагане непробојне мембране.
Али симулацијски дизајн може ићи само тако далеко. Физичко тестирање метаматеријала је неопходно да би се утврдило да ли ће постићи жељене резултате. Али није постојао поуздан начин да се метаматеријали гурају и повлаче у микроскопској скали и виде како ће реаговати без додиривања и физичког оштећења структуре метаматеријала у том процесу.
Да би решили овај проблем, истраживачи са МИТ-а развили су технику за испитивање метаматеријала помоћу ласерског система са два снопа – један ласерски зрак брзо осветљава структуру, а други ласерски сноп мери начин на који структура реагује на вибрације, слично као ударање у звоно са маљем и снимање његовог одјека. За разлику од маља, ласери не остварују физички контакт. Ипак, они стварају вибрације у сићушним гредама и подупирачима метаматеријала, баш као да је структура физички ударена, растегнута или срезана.
Слика Овај оптички микрограф приказује низ микроскопских узорака метаматеријала на рефлектујућој подлози.
Инжењери затим могу да користе резултујуће вибрације да израчунају различите динамичке особине материјала, као што је како реагује на ударе и како апсорбује или расипа звук. Користећи ултрабрзе ласерске импулсе, они могу да побуде и измере стотине микроструктура за неколико минута. Ова техника пружа, по први пут, сигуран, поуздан и високо пропусни метод за динамичку карактеризацију микроматеријала.
„Овим приступом можемо убрзати откривање најбољих материјала на основу жељених својстава. Професор Царлос Портела, истраживач на МИТ-овој школи машинства, рекао је. Истраживачки тим ову методу назива ЛИРАС (Ласер Индуцед Ресонанце Ацоустиц Спецтросцопи).
Портела је користио метаматеријале направљене од обичних полимера, које је 3Д штампао у мале торњеве налик на скеле направљене од микроскопских подупирача и минијатурних греда. Свака кула је обликована понављањем и слојевима појединачних геометријских јединица, као што је осмоугаона конфигурација спојних греда. Када се наслага од краја до краја, распоред торња може дати својства целом полимеру која иначе не би имао.
Али инжењери су озбиљно ограничени у својим могућностима за физичко тестирање и верификацију ових својстава метаматеријала. Наноиндентација је суштински начин за испитивање таквих микроструктура, иако на веома пажљив и контролисан начин. Метода користи врх микронске величине да полако гура структуру надоле док мери мале помаке и силе док се структура сабија.
Али ова техника се може применити само веома брзо и може оштетити структуру", каже Портела. Желели смо да пронађемо начин да измеримо динамичко понашање ових структура у почетном одговору на снажан удар без њиховог уништавања."
Тим је осмислио ласерски ултразвук - недеструктивну методу која користи кратке ласерске импулсе подешене на ултразвучне фреквенције да побуђује веома танке материјале (као што су златни филмови) без контакта. Ласерско побуђивање производи ултразвучне таласе у опсегу фреквенција који могу узроковати да филм вибрира на одређеној фреквенцији, што научници могу користити да одреде прецизну дебљину филма са нанометарском тачношћу. Техника се такође може користити да се утврди да ли филм има недостатке.
Тим је схватио да ултразвучни ласери такође могу безбедно да подстакну њихове 3Д метаматеријалне куле да вибрирају; ове куле, које се крећу у висини од 50 микрометара до 200 микрометара, сличне су танким филмовима на микроскопској скали.
Да би тестирали ову идеју, истраживачи су направили стони уређај који се састоји од два ултразвучна ласера ​​- "пулсног" ласера ​​који побуђује узорак метаматеријала и ласера ​​"сонде" за мерење резултујућих вибрација. Ласер "сонде" за мерење резултујућих вибрација.
Истраживачи су затим одштампали стотине микроскопских кула, сваки са специфичном висином и структуром, на чипу мањем од нокта. Поставили су ову микроскопску структуру метаматеријала у две ласерске јединице, а затим узбудили куле поновљеним ултракратким импулсима. Други ласер је затим измерио вибрације сваког торња. Одатле је тим прикупљао податке и тражио обрасце у вибрацијама.
Слика 3Д штампаног торња. Истраживачи са МИТ-а користили су ласер да безбедно скенирају микроторњеве метаматеријала, што је покренуло вибрације, које су затим ухваћене другим ласером и анализиране да би се закључила динамичка својства структуре, као што је крутост као одговор на ударце.
Све ове структуре смо узбудили ласером као да их ударамо чекићем", рекао је Портела. Ухватили смо осцилације стотина кула, које су осцилирале на мало различите начине. Из овога можемо анализирати ове осцилације и извући динамичка својства. сваке структуре, као што је њихова крутост на удар и брзина којом се ултразвучни таласи шире кроз њих."
Истраживачи су користили исту технику да скенирају стубове у потрази за дефектима. Они су 3Д одштампали неколико торњева без дефеката, а затим одштампали исте структуре са различитим степеном дефеката, као што су недостајући подупирачи и греде (који су чак мањи од црвених крвних зрнаца).
Портела каже: "Пошто сваки торањ има вибрацијски потпис, открили смо да што више дефеката ставимо у исту структуру, то се овај потпис више мења. Ако откријете структуру са мало другачијим потписом, знате да није савршена."
Научници би лако могли да поново направе ласерски уређај у сопственим лабораторијама, рекао је он. Откриће практичних метаматеријала из стварног света би тада било убрзано. У Портелином случају, он је страствен у стварању и тестирању метаматеријала за фокусирање ултразвучних таласа, на пример за повећање осетљивости ултразвучних сонди. Такође истражује метаматеријале отпорне на ударце, на пример за дизајн облога унутар бициклистичких кацига.
Карактеризација динамичког понашања метаматеријала кроз ово истраживање ће помоћи у истраживању екстрема метаматеријала, рекли су истраживачи. Студија је објављена у часопису Натуре.