麻省理工開發出新型激光技術無損檢測超材料

　　超材料是由常規材料如聚合物、陶瓷和金屬制成，它們通過微觀尺度的精細設計在結構上展現出非凡性能。工程師們依靠計算機模擬來探索各種微觀結構的組合，從而發現某些材料是如何實現特殊轉換的，比如變成能聚焦聲波的聲學透鏡或輕質防彈薄膜。為了確切地驗證一種超材料是否能達到預期效果，還必須對其進行物理測試。然而，目前還沒有可靠的方法在微觀層面上對超材料施加力并了解其反應，同時又能夠實現無接觸或在物理上破壞其結構。

　　為應對這一難題，麻省理工學院的研究團隊開發了一種新技術：利用兩束激光來檢測超材料，一束激光迅速擊中結構，另一束則測量其振動響應模式，類似于敲鐘并記錄其回聲。激光不會造成物理接觸，但能在超材料的微小梁和支柱上產生振動，仿佛這些結構遭受了物理的撞擊、拉伸或剪切。研究人員隨后可利用這些振動數據來精確計算材料的動態特性，例如對沖擊的響應，以及吸收或散射聲波的方式。

　　通過使用超快速的激光脈沖，他們能夠在短短幾分鐘內激發并測量數百個微型結構。這項技術首次為微觀尺度上的超材料提供了一種既安全又可靠的高效動態表征方法。

　　麻省理工學院教授Carlos Portela表示：“借助這種方法，我們能夠更快速地篩選出最適合預期性能的材料。”他與麻省理工學院以及美國能源部堪薩斯城國家安全園區的同事們共同將這種方法命名為LIRAS（激光誘導共振聲光譜法）。其相關研究成果以“Dynamic diagnosis of metamaterials through laser-induced vibrational signatures”為題發表在Nature期刊上，為加速數據驅動的材料和微器件在保護結構、醫療超聲或振動隔離等動態應用中的發現提供了新途徑。　　圖1呈現了反射基板上一系列微觀超材料樣品的精細光學顯微圖像。

　　圖1 微觀超材料樣品光學顯微圖像

　　圖源：麻省理工學院提供

　　在這些圖像中，通過先進的數字技術加入了激光脈沖效果，直觀地展現了泵（以紅色標識）和探針（以綠色標識）脈沖在樣品診斷中心的交互作用。利用LIRAS技術，可以在短短幾分鐘內完成對基底上所有樣品的掃描分析。

　　Carlos Portela使用的超材料是由普通聚合物制成的，他運用3D打印技術將其制成由微觀支柱和梁組成的細小的腳手架式塔狀結構。每個塔的設計都采用了重復疊加的單一幾何形態，如八角形連接梁的排列方式。這些端對端堆疊的塔狀結構，為聚合物賦予了一些原本不具備的特殊性質。

　　然而，在物理測試和驗證這些超材料特性的過程中，工程師們面臨著嚴峻的挑戰。納米壓痕法是探測這種微觀結構的常用標準方法，要求非常精確和細致的操作。在這個過程中，工程師們會使用一個微米級別的尖端對結構施加緩慢的壓力，同時細致地測量結構在受到壓迫時產生的微小位移和力的變化。

　　Carlos Portela表示：“但這種技術只能做到這么快，同時也會破壞結構，我們正尋求一種能夠精準測量結構動態行為的方法，比如對強烈撞擊的即時反應，同時盡量減少對它們的損害。”因此，團隊采用了激光超聲技術，這是一種無損檢測方法。它通過使用調整至超聲頻率的短激光脈沖來激發極薄的材料（如金薄膜），而無需與之物理接觸。通過激光激發產生的超聲波，可以使薄膜在特定范圍內以一定頻率振動。科學家們據此頻率可精確測定薄膜的厚度，精度達到納米級別。此技術還可用于檢測薄膜是否存在缺陷。

　　Carlos Portela和他的同事們意識到，超聲波激光也可以安全地誘導他們的3D超材料塔振動。這些塔的高度從50到200 μm不等，與薄膜的微觀尺度相似。

　　為了驗證這一想法，博士后Yun Kai搭建了一個由兩個超聲波激光器組成的桌面裝置：一個“脈沖”激光器用于激發超材料樣品，另一個“探針”激光器用于測量產生的振動。

　　研究團隊在一塊指甲大小的芯片上打印了數百個微型塔，每個塔都有特定的高度和結構。他們將這些超材料微觀結構陣列放置在雙激光裝置中，使用重復的超短脈沖來激發這些塔。第二束激光負責測量每個塔的振動情況。隨后，研究小組收集并分析數據，以尋找振動模式，推斷結構的動態特性。

　　圖2 麻省理工學院的一項新技術使用激光安全地掃描超材料的微觀塔

　　圖源：麻省理工學院提供

　　Carlos Portela解釋道：“我們通過激光激發這些結構，這類似于用錘子敲擊它們。隨后，我們捕捉了數百座微型塔的振動反應，發現它們的振動模式各不相同。接著，我們分析這些振動數據，從中提取出每個結構的動態特性，例如它們對沖擊的響應剛度，以及超聲波穿過它們的速度。”

　　研究團隊還運用相同的技術來探測塔結構中的缺陷。他們首先打印了一些無缺陷的塔，然后再打印了具有缺少支柱和梁等缺陷的相同結構，每個缺陷大小都小于一個紅細胞。

　　“由于每個塔都有其獨特的振動模式，我們發現，在同一結構中引入的缺陷越多，這些特性的變化就越明顯。” Carlos Portela補充道，“你可以將其比作掃描一條裝配線上的結構。如果檢測到某個信號略有不同，就能判斷該結構存在缺陷。”

　　圖3 動態缺陷識別

　　Carlos Portela還指出，科學家們可以輕松地在自己的實驗室中重建這種激光裝置。隨著這項技術的普及，將大大促進實用超材料在真實世界中的發展和應用。對于Carlos Portela而言，他特別感興趣于制造和測試那些能夠聚焦超聲波的超材料，比如用于提高超聲波探頭靈敏度的材料。他還在研究用于抗沖擊的超材料，例如用于自行車頭盔的內襯材料。Yun Kai則表示：“ 我們深知制造能減輕沖擊和影響的材料的重要性。如今，我們首次能夠詳細描述超材料的動態行為，并對其進行深入的探索。”

　　這項創新不僅加快了超材料的特性評估過程，而且為未來超材料的設計和應用提供了更精確和高效的方法。