新型激光设置探头具有超快脉冲的超材料结构

超材料是工程魔法的产物。它们由日常聚合物、陶瓷和金属制成。当在微观尺度上精确构建时，在复杂的结构中，这些普通材料可以呈现出非凡的特性。

　　在计算机模拟的帮助下，工程师可以尝试任何微观结构组合，以了解某些材料如何转化为声音聚焦声学透镜或轻质防弹膜。

　　但仿真只能采用设计到此为止。要确定超材料是否符合预期，必须对其进行物理测试。但是，目前还没有可靠的方法可以在微观尺度上推动和拉动超材料，并知道它们将如何响应，而不会在此过程中接触和物理损坏结构。

　　现在，一种新的基于激光的技术提供了一种安全快速的解决方案，可以加速发现有前途的超材料，用于现实世界的应用。

　　该技术由麻省理工学院的工程师开发，使用两个激光系统探测超材料 - 一个用于快速敲击结构，另一个用于测量其响应振动的方式，就像用木槌敲击铃铛并记录其混响一样。与木槌相比，激光没有物理接触。然而，它们可以在整个超材料的微小梁和支柱中产生振动，就好像结构被物理撞击、拉伸或剪切一样。

　　然后，工程师可以使用由此产生的振动来计算材料的各种动态特性，例如它如何响应冲击以及如何吸收或散射声音。凭借超快的激光脉冲，他们可以在几分钟内激发和测量数百个微型结构。这项新技术首次提供了一种安全、可靠和高通量的方法来动态表征微尺度超材料。

　　“我们需要找到更快的方法来测试、优化和调整这些材料，”麻省理工学院机械工程专业英国和亚历克斯·达贝洛夫职业发展教授卡洛斯·波特拉说。“通过这种方法，我们可以根据您想要的特性加速发现最佳材料。”

　　Portela和他的同事们详细介绍了他们的新系统，他们在今天发布在《自然》杂志上的一篇论文中将其命名为LIRAS。他的麻省理工学院合著者包括第一作者Yun Kai，Somayajulu Dhulipala，Rachel Sun，Jet Lem和Thomas Pezeril，以及美国能源部堪萨斯城国家安全校区的Washington DeLima。

　　慢速提示

　　Portela使用的超材料由常见的聚合物制成，他将其3D打印成由微观支柱和横梁制成的微小的脚手架状塔。每座塔楼都是通过重复和分层单个几何单元来形成图案的，例如连接梁的八角形配置。当首尾相连堆叠时，塔架布置可以赋予整个聚合物特性，否则它就不会具有。

　　但是，工程师在物理测试和验证这些超材料特性方面的选择受到严重限制。纳米压痕是探测这种微观结构的典型方式，尽管是以一种非常深思熟虑和可控的方式进行的。该方法采用微米级尖端缓慢向下推结构，同时测量结构被压缩时的微小位移和力。

　　“但这种技术只能走得如此之快，同时也会破坏结构，”Portela指出。“我们希望找到一种方法来测量这些结构的动态行为，例如在对强烈冲击的初始反应中，但不会破坏它们。

　　一个物质世界

　　该团队转向激光超声波 - 一种非破坏性方法，它使用调谐到超声波频率的短激光脉冲，在不物理接触它们的情况下激发非常薄的材料，如金膜。激光激发产生的超声波在一定范围内，可以使薄膜以一定频率振动，然后科学家可以使用该频率来确定薄膜的精确厚度，精确到纳米级精度。该技术还可用于确定薄膜是否存在任何缺陷。

　　Portela和他的同事们意识到，超声波激光器也可以安全地诱导他们的3D超材料塔振动。这些塔的高度——从50到200微米不等，或大约是人类头发直径的两倍——与薄膜的微观尺度相似。

　　为了验证这个想法，Yun Kai 加入了 Portela 的团队，在激光光学方面拥有专业知识，他构建了一个桌面装置，包括两个超声波激光器——一个用于激发超材料样品的“脉冲”激光器和一个用于测量由此产生的振动的“探针”激光器。

　　在一块不超过指甲盖的芯片上，该团队随后打印了数百个微型塔，每个塔都有特定的高度和架构。他们将这个微型超材料城市放置在双激光装置中，然后用重复的超短脉冲激发塔。第二台激光测量了每个塔的振动。然后，该团队收集了数据，并寻找振动中的模式。

　　“我们用激光激发所有这些结构，这就像用锤子敲击它们一样。然后我们捕捉到数百座塔的所有摆动，它们都以略微不同的方式摆动，“Portela 说。“然后，我们可以分析这些摆动并提取每个结构的动态特性，例如它们对冲击的刚度响应，以及超声波通过它们的速度。

　　该团队使用相同的技术来扫描塔的缺陷。他们打印了几个没有缺陷的塔，然后打印了相同的结构，但存在不同程度的缺陷，例如缺少支柱和横梁，每个都小于红细胞的大小。

　　“由于每个塔都有一个振动特征，我们看到我们在同一结构中放置的缺陷越多，这种特征的变化就越大，”Portela 解释道。“你可以想象扫描一条结构装配线。如果你检测到一个签名略有不同的人，你就知道它并不完美。