Новая технология ускорит создание футуристических материалов
Метаматериалы — это продукты инженерного волшебства. Их изготавливают из повседневных полимеров, керамики и металлов. И когда эти обычные материалы создаются именно на микроуровне, в сложной архитектуре, они могут приобретать необычайные свойства. С помощью компьютерного моделирования инженеры могут экспериментировать с любой комбинацией микроструктур, чтобы увидеть, как определенные материалы могут трансформироваться, например, в звукофокусирующие акустические линзы или легкие пуленепробиваемые пленки. Но моделирование может только довести проект до конца. Чтобы точно знать, оправдает ли метаматериал ожидания, необходимо его физическое тестирование. Но не существует надежного способа толкать и тянуть метаматериалы на микроуровне и знать, как они отреагируют, не контактируя и не повреждая при этом структуры. Теперь новая лазерная технология предлагает безопасное и быстрое решение, которое может ускорить открытие многообещающих метаматериалов для реальных приложений.
Методика, разработанная инженерами Массачусетского технологического института, исследует метаматериалы с помощью системы из двух лазеров — один для быстрого воздействия на структуру, а другой для измерения способов ее ответной вибрации, что очень похоже на удар молотком по колоколу и запись его реверберации. В отличие от молотка, лазеры не вступают в физический контакт. Тем не менее, они могут вызывать вибрации в крошечных балках и опорах метаматериала, как если бы структура подвергалась физическому удару, растяжению или сдвигу. Затем инженеры могут использовать полученные вибрации для расчета различных динамических свойств материала, например, как он будет реагировать на удары и как он будет поглощать или рассеивать звук. С помощью сверхбыстрого лазерного импульса они могут возбудить и измерить сотни миниатюрных структур за считанные минуты. Новый метод 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, британец и профессор развития карьеры Алекса д'Арбелофф в области машиностроения в Массачусетском технологическом институте. «Благодаря такому подходу мы можем ускорить открытие оптимальных материалов в зависимости от желаемых свойств». Портела и его коллеги подробно описывают свою новую систему, которую они назвали LIRAS (от лазерно-индуцированной резонансной акустической спектроскопии) в статье, которая появится в журнале Nature. В число его соавторов из Массачусетского технологического института входят первый автор Юн Кай, Сомаяджулу Дулипала, Рэйчел Сан, Джет Лем и Томас Пезерил, а также Вашингтон ДеЛима из Кампуса национальной безопасности Канзас-Сити Министерства энергетики.
Метаматериалы, с которыми работает Портела, сделаны из обычных полимеров, которые он печатает на 3D-принтере в крошечные, похожие на леса башни, состоящие из микроскопических стоек и балок. Каждая башня создана путем повторения и наслаивания одной геометрической единицы, например восьмиконечной конфигурации соединительных балок. При укладке встык башенная конструкция может придать всему полимеру свойства, которых в противном случае он не имел бы. Но возможности инженеров по физическому тестированию и проверке свойств метаматериалов сильно ограничены. Наноиндентирование — типичный способ исследования таких микроструктур, хотя и очень преднамеренный и контролируемый. В этом методе используется наконечник микрометрового масштаба, который медленно нажимает на конструкцию, одновременно измеряя крошечное смещение и силы, действующие на конструкцию при ее сжатии.
«Но этот метод может действовать очень быстро, одновременно повреждая структуру», — отмечает Портела. «Мы хотели найти способ измерить, как эти структуры будут вести себя динамически, например, при первоначальной реакции на сильное воздействие, но таким образом, чтобы не разрушить их». Команда обратилась к лазерному ультразвуку — неразрушающему методу, который использует короткий лазерный импульс, настроенный на ультразвуковые частоты, для возбуждения очень тонких материалов, таких как золотые пленки, без физического прикосновения к ним. Ультразвуковые волны, создаваемые лазерным возбуждением, находятся в диапазоне, который может вызвать вибрацию тонкой пленки с частотой, которую ученые затем могут использовать для определения точной толщины пленки с точностью до нанометра. Этот метод также можно использовать для определения наличия дефектов на тонкой пленке. Портела и его коллеги поняли, что ультразвуковые лазеры также могут безопасно вызывать вибрацию их трехмерных башен из метаматериала; Высота башен — от 50 до 200 микрометров, или примерно в два раза больше диаметра человеческого волоса, — находится в микроскопическом масштабе, аналогичном тонким пленкам.
Чтобы проверить эту идею, Юн Кай, который присоединился к группе Портела и обладает опытом в области лазерной оптики, построил настольную установку, состоящую из двух ультразвуковых лазеров — «импульсного» лазера для возбуждения образцов метаматериала и «зондового» лазера для измерения результирующих вибраций. Затем на одном чипе размером не больше ногтя команда напечатала сотни микроскопических башен, каждая из которых имела определенную высоту и архитектуру. Они поместили этот миниатюрный город из метаматериалов в установку с двумя лазерами, а затем возбудили башни повторяющимися ультракороткими импульсами. Второй лазер измерял вибрации каждой отдельной башни. Затем команда собрала данные и начала искать закономерности в вибрациях. «Мы возбуждаем все эти структуры лазером, что похоже на удар молотком. А затем мы фиксируем все колебания сотен башен, и все они раскачиваются немного по-разному», — говорит Портела. «Затем мы сможем проанализировать эти колебания и извлечь динамические свойства каждой структуры, такие как их жесткость в ответ на удар и скорость прохождения ультразвука через них».
Команда использовала ту же технику для сканирования башен на наличие дефектов. Они напечатали несколько башен без дефектов, а затем напечатали те же самые архитектуры, но с разной степенью дефектов, таких как отсутствие стоек и балок, каждая из которых меньше размера эритроцита. «Поскольку каждая башня имеет вибрационную сигнатуру, мы увидели, что чем больше дефектов мы вносим в одну и ту же структуру, тем больше смещается эта сигнатура», — объясняет Портела. «Вы можете представить, как сканируете сборочную линию конструкций. Если вы обнаружите одну с немного отличающейся сигнатурой, вы знаете, что она не идеальна». Он говорит, что ученые могут легко воссоздать лазерную установку в своих собственных лабораториях. Затем, по прогнозам Портела, произойдет открытие практических метаматериалов реального мира. Со своей стороны, Портела стремится создавать и тестировать метаматериалы, фокусирующие ультразвуковые волны, например, для повышения чувствительности ультразвуковых датчиков. Он также исследует ударопрочные метаматериалы, например, для внутренней отделки велосипедных шлемов. «Мы знаем, насколько важно создавать материалы, способные смягчить шок и последствия», — сказал Кай. «Теперь благодаря нашему исследованию мы впервые можем охарактеризовать динамическое поведение метаматериалов и изучить их до предела».
