Nova primjena laserske tehnologije: Poticanje istraživanja metamaterijala

Metamaterijali, iako su napravljeni od svakodnevnih polimera, keramike i metala, imaju izvanredna svojstva zbog svoje zamršene i složene precizne mikrostrukture.
Uz pomoć računalnih simulacija, inženjeri mogu kombinirati bilo koji broj mikrostruktura i promatrati kako se određeni materijali transformiraju, na primjer, kako bi vidjeli kako se određeni materijali mogu transformirati u akustične leće za fokusiranje zvuka ili lagane neprobojne membrane.
Ali dizajn simulacije može ići samo tako daleko. Fizikalna ispitivanja metamaterijala nužna su kako bi se utvrdilo hoće li postići željene rezultate. Ali nije postojao pouzdan način da se metamaterijali guraju i povlače na mikroskopskoj razini i da se vidi kako će reagirati bez dodirivanja i fizičkog oštećenja strukture metamaterijala u procesu.
Kako bi riješili ovaj problem, istraživači s MIT-a razvili su tehniku ​​za ispitivanje metamaterijala pomoću laserskog sustava s dvije zrake - jedna laserska zraka brzo osvjetljava strukturu, a druga laserska zraka mjeri način na koji struktura reagira na vibracije, slično kao kad udarate u zvono s čekićem i snimajući njegov odjek. Za razliku od čekića, laseri nemaju fizički kontakt. Ipak, oni stvaraju vibracije u sićušnim gredama i podupiračima metamaterijala, baš kao da je struktura fizički udarena, rastegnuta ili posječena.
Slika Ova optička mikrografija prikazuje niz mikroskopskih uzoraka metamaterijala na reflektirajućoj podlozi.
Inženjeri zatim mogu upotrijebiti rezultirajuće vibracije za izračunavanje raznih dinamičkih svojstava materijala, poput toga kako reagira na udarce i kako apsorbira ili raspršuje zvuk. Koristeći ultrabrze laserske impulse, mogu pobuditi i izmjeriti stotine mikrostruktura u nekoliko minuta. Ova tehnika po prvi put pruža sigurnu, pouzdanu i visokoučinkovitu metodu za dinamičko karakteriziranje metamaterijala na mikroskalama.
"Ovim pristupom možemo ubrzati otkrivanje najboljih materijala na temelju željenih svojstava." Profesor Carlos Portela, istraživač na MIT-ovoj školi za strojarstvo, rekao je. Istraživački tim ovu metodu naziva LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela je koristio metamaterijale izrađene od običnih polimera koje je 3D ispisao u sićušne tornjeve nalik na skele napravljene od mikroskopskih podupirača i minijaturnih greda. Svaki toranj ima uzorak ponavljanjem i slojevitošću pojedinačnih geometrijskih jedinica, kao što je osmerokutna konfiguracija spojnih greda. Kada se naslažu jedan kraj na kraj, raspored tornja može cijelom polimeru dati svojstva koja inače ne bi imao.
Ali inženjeri su ozbiljno ograničeni u svojim opcijama za fizičko testiranje i provjeru ovih svojstava metamaterijala. Nanoindentacija je suštinski način za ispitivanje takvih mikrostruktura, iako na vrlo pažljiv i kontroliran način. Metoda koristi vrh mikronske veličine za polagano pritiskanje strukture dok se mjere maleni pomaci i sile dok se struktura sabija.
Ali ova se tehnika može izvesti samo vrlo brzo i može oštetiti strukturu," kaže Portela. Htjeli smo pronaći način da izmjerimo dinamičko ponašanje ovih struktura u početnoj reakciji na snažan udar bez njihovog uništenja."
Tim je osmislio laserski ultrazvuk - nedestruktivnu metodu koja koristi kratke laserske impulse podešene na ultrazvučne frekvencije za pobuđivanje vrlo tankih materijala (kao što su zlatni filmovi) bez kontakta. Lasersko uzbuđenje proizvodi ultrazvučne valove u rasponu frekvencija koje mogu uzrokovati vibriranje filma na određenoj frekvenciji, koju znanstvenici mogu koristiti za određivanje precizne debljine filma s nanometarskom točnošću. Tehnika se također može koristiti za određivanje ima li film nedostataka.
Tim je shvatio da ultrazvučni laseri također mogu sigurno potaknuti njihove 3D metamaterijalne tornjeve da vibriraju; ovi tornjevi, čija je visina u rasponu od 50 mikrometara do 200 mikrometara, slični su tankim filmovima na mikroskopskoj razini.
Kako bi testirali ovu ideju, istraživači su napravili stolni uređaj koji se sastoji od dva ultrazvučna lasera - "pulsnog" lasera za pobuđivanje uzorka metamaterijala i "sondnog" lasera za mjerenje rezultirajućih vibracija. Laser "sonda" za mjerenje rezultirajućih vibracija.
Istraživači su zatim ispisali stotine mikroskopskih tornjeva, svaki s određenom visinom i strukturom, na čipu manjem od nokta. Postavili su ovu mikroskopsku strukturu metamaterijala u dvije laserske jedinice i zatim pobudili tornjeve ponovljenim ultrakratkim impulsima. Drugi laser zatim je mjerio vibracije svakog tornja. Odatle je tim prikupio podatke i tražio uzorke u vibracijama.
Slika 3D tiskanog tornja. Istraživači MIT-a upotrijebili su laser za sigurno skeniranje metamaterijalnih mikrotornjeva, koji su pokrenuli vibracije, koje su zatim uhvaćene drugim laserom i analizirane kako bi se zaključila dinamička svojstva strukture, kao što je krutost kao odgovor na udarce.
Laserom smo pobudili sve te strukture kao da ih udaramo čekićem," rekao je Portela. Snimili smo oscilacije stotina tornjeva, koji su oscilirali na malo drugačije načine. Iz ovoga možemo analizirati te oscilacije i izdvojiti dinamička svojstva svake strukture, kao što je njihova krutost na udar i brzina kojom se ultrazvučni valovi šire kroz njih."
Istraživači su koristili istu tehniku ​​za skeniranje stupova u potrazi za nedostacima. Oni su 3D ispisali nekoliko tornjeva bez nedostataka, a zatim ispisali iste strukture s različitim stupnjevima nedostataka, poput nedostajućih podupirača i greda (koje su čak manje od crvenih krvnih zrnaca).
Portela kaže: "Budući da svaki toranj ima vibracijski potpis, otkrili smo da što više nedostataka stavimo u istu strukturu, to se taj potpis više mijenja. Ako otkrijete strukturu s malo drugačijim potpisom, znate da nije savršena."
Znanstvenici bi lako mogli ponovno stvoriti laserski uređaj u vlastitim laboratorijima, rekao je. Tada bi se ubrzalo otkriće praktičnih metamaterijala iz stvarnog svijeta. U slučaju Portele, on je strastven prema stvaranju i testiranju metamaterijala za fokusiranje ultrazvučnih valova, na primjer za povećanje osjetljivosti ultrazvučnih sondi. Također istražuje metamaterijale otporne na udarce, na primjer za dizajn rasporeda obloga unutar biciklističkih kaciga.
Karakteriziranje dinamičkog ponašanja metamaterijala kroz ovo istraživanje pomoći će u istraživanju ekstrema metamaterijala, rekli su istraživači. Studija je objavljena u časopisu Nature.