Новая лазерная установка исследует метаматериалы сверхбыстрыми импульсами

Метаматериалы — это продукт инженерной мысли. Они изготавливаются из обычных полимеров, керамики и металлов. А при создании на микроуровне сложнейших архитектур эти обычные материалы могут приобретать необычные свойства.

С помощью компьютерного моделирования инженеры могут играть с любыми комбинациями микроструктур, чтобы увидеть, как те или иные материалы могут превратиться, например, в звукофокусирующие акустические линзы или легкие пуленепробиваемые пленки.

Однако моделирование может завести конструктора лишь на самое последнее время. Чтобы знать наверняка, оправдает ли метаматериал ожидания, необходимо провести его физические испытания. Но до сих пор не было надежного способа надавить на метаматериалы в микромасштабе и узнать, как они отреагируют, не соприкасаясь и не повреждая структуры физически.

Теперь новая лазерная технология предлагает безопасное и быстрое решение, которое может ускорить открытие перспективных метаматериалов для реальных применений.

Метод, разработанный инженерами Массачусетского технологического института, позволяет исследовать метаматериалы с помощью системы из двух лазеров — одного для быстрого воздействия на структуру, а другого для измерения ее ответных колебаний, подобно удару молоточком по колоколу и записи его реверберации. В отличие от молоточка, лазеры не имеют физического контакта. Однако они могут создавать вибрации во всех крошечных балках и стойках метаматериала, как будто структура подвергается физическому удару, растяжению или сдвигу.

Затем инженеры могут использовать полученные колебания для расчета различных динамических свойств материала, таких как реакция на удары, поглощение и рассеивание звука. С помощью сверхбыстрого лазерного импульса можно за несколько минут возбудить и измерить сотни миниатюрных структур. Новая методика впервые предлагает безопасный, надежный и высокопроизводительный способ динамического определения характеристик микромасштабных метаматериалов.

Нам необходимо найти более быстрые способы тестирования, оптимизации и настройки этих материалов, — говорит Карлос Портела, профессор машиностроения Массачусетского технологического института Брит и Алекс д'Арбелофф.

Благодаря такому подходу мы сможем ускорить нахождение оптимальных материалов в зависимости от требуемых свойств.

Портела и его коллеги подробно описывают свою новую систему, названную ими LIRAS (от laser-induced resonant acoustic spectroscopy), в статье, которая будет опубликована в журнале Nature.

Среди соавторов Портелы из Массачусетского технологического института — первый автор Юн Кай, Сомаяджулу Дхулипала, Рейчел Сан, Джет Лем, Томас Пезерил, а также Вашингтон ДеЛима из кампуса национальной безопасности Министерства энергетики в Канзас-Сити.

Медленный наконечник

Метаматериалы, с которыми работает Портела, изготавливаются из обычных полимеров, которые он распечатывает на 3D-принтере в виде крошечных, похожих на строительные леса башенок, состоящих из микроскопических стоек и балок. Каждая башня строится путем повторения и наслоения одной геометрической единицы, например, восьмиконечной конфигурации соединительных балок. Уложенные друг на друга башни могут придавать всему полимеру свойства, которых он не имел бы в других случаях.

Однако возможности инженеров по физическому тестированию и проверке свойств таких метаматериалов сильно ограничены. Типичным способом исследования таких микроструктур является наноиндентирование, хотя и очень целенаправленное и контролируемое. В этом методе используется наконечник микрометрового размера, который медленно надавливает на структуру, измеряя при этом крошечные смещения и силы, действующие на структуру при ее сжатии.

Но этот метод может работать только очень быстро, повреждая при этом структуру, — отмечает Портела.

Мы хотели найти способ измерить динамику поведения этих структур, например, в начальной реакции на сильный удар, но так, чтобы не разрушить их.

(Мета)материальный мир

Команда обратилась к лазерному ультразвуку — неразрушающему методу, в котором используется короткий лазерный импульс, настроенный на ультразвуковую частоту, для возбуждения очень тонких материалов, таких как золотые пленки, без физического прикосновения к ним. Ультразвуковые волны, создаваемые лазерным возбуждением, находятся в диапазоне, позволяющем заставить тонкую пленку вибрировать с частотой, которую ученые могут использовать для определения точной толщины пленки с точностью до нанометра. Этот метод также может быть использован для определения наличия дефектов в тонкой пленке.

Портела и его коллеги поняли, что ультразвуковые лазеры также могут безопасно заставить вибрировать их 3D-башни из метаматериала; высота башен — от 50 до 200 микрометров, что примерно в два раза больше диаметра человеческого волоса — находится в таком же микроскопическом масштабе, как и тонкие пленки.

Для проверки этой идеи Юн Кай, присоединившийся к группе Портелы и обладающий опытом в области лазерной оптики, построил настольную установку, состоящую из двух ультразвуковых лазеров — «импульсного» для возбуждения образцов метаматериала и „зондового“ для измерения возникающих колебаний.

На одном чипе размером не больше ногтя были напечатаны сотни микроскопических башен, каждая из которых имела определенную высоту и архитектуру. Этот миниатюрный город из метаматериалов был помещен в двухлазерную установку, после чего башни возбуждались повторяющимися ультракороткими импульсами. Второй лазер измерял колебания каждой отдельной башни. Затем группа собирала данные и искала закономерности в колебаниях.

Мы возбуждаем все эти структуры лазером, что похоже на удар молотком. Затем мы фиксируем все колебания сотен башен, и все они колеблются немного по-разному, — говорит Портела.

Затем мы можем проанализировать эти колебания и извлечь динамические свойства каждой конструкции, такие как жесткость в ответ на удар и скорость прохождения через них ультразвука.

Команда использовала ту же методику для сканирования башен на наличие дефектов. Они напечатали несколько бездефектных башен, а затем напечатали те же самые конструкции, но с различной степенью дефектов, например, с отсутствующими стойками и балками, каждая из которых была меньше размера эритроцита.

Поскольку у каждой башни есть своя вибрационная сигнатура, мы увидели, что чем больше дефектов мы вводим в одну и ту же структуру, тем сильнее эта сигнатура смещается, — объясняет Портела.

Можно представить себе сканирование сборочной линии структур. Если вы обнаружите одну из них с несколько иной сигнатурой, вы поймете, что она не идеальна.

По его словам, ученые могут легко воссоздать лазерную установку в своих лабораториях. Тогда, по прогнозам Портелы, открытие практических метаматериалов в реальном мире пойдет полным ходом. Со своей стороны, Портела заинтересован в изготовлении и испытании метаматериалов, фокусирующих ультразвуковые волны, например, для повышения чувствительности ультразвуковых датчиков. Он также изучает возможности создания ударопрочных метаматериалов, например, для внутренней отделки велосипедных шлемов.

Мы знаем, как важно создавать материалы, смягчающие толчки и удары, — говорит Кай.

Теперь, благодаря нашему исследованию, мы впервые можем охарактеризовать динамическое поведение метаматериалов и исследовать их в экстремальных условиях.

15.11.2023