Naujas lazerinės technologijos pritaikymas: metamedžiagų tyrimų skatinimas

Metamedžiagos, nors ir pagamintos iš kasdienių polimerų, keramikos ir metalų, pasižymi nepaprastomis savybėmis dėl savo sudėtingų ir sudėtingų tikslių mikrostruktūrų.
Naudodamiesi kompiuteriniu modeliavimu, inžinieriai gali sujungti daugybę mikrostruktūrų ir stebėti, kaip tam tikros medžiagos transformuojasi, pavyzdžiui, norėdami pamatyti, kaip tam tikros medžiagos gali būti transformuojamos į garsą fokusuojančius akustinius lęšius arba lengvas neperšaunamas membranas.
Tačiau modeliavimo dizainas gali nueiti tik iki tol. Norint nustatyti, ar jos pasieks norimus rezultatus, būtina atlikti fizinį metamedžiagų testavimą. Tačiau nebuvo patikimo būdo stumti ir traukti metamedžiagas mikroskopiniu mastu ir pamatyti, kaip jos reaguos, neliesdamos ir fiziškai nepažeisdamos metamedžiagų struktūros.
Siekdami išspręsti šią problemą, MIT mokslininkai sukūrė metodą metamedžiagų zondavimui naudojant dviejų spindulių lazerio sistemą – vienas lazerio spindulys greitai apšviečia struktūrą, o kitas lazerio spindulys matuoja, kaip struktūra reaguoja į vibracijas, panašiai kaip trenkiant varpu. plaktuku ir įrašydami jo atgarsį. Priešingai nei plaktukas, lazeriai neturi fizinio kontakto. Tačiau jie sukuria vibraciją mažose metamedžiagos sijose ir statramsčiuose, tarsi konstrukcija būtų fiziškai smogta, ištempta ar nukirpta.
Vaizdas Ši optinė mikrografija rodo mikroskopinių metamedžiagų mėginių masyvą ant atspindinčio pagrindo.
Tada inžinieriai gali panaudoti gautas vibracijas, kad apskaičiuotų įvairias dinamines medžiagos savybes, pvz., kaip ji reaguoja į smūgius ir kaip sugeria arba išsklaido garsą. Naudodami itin greitus lazerio impulsus, jie per kelias minutes gali sužadinti ir išmatuoti šimtus mikrostruktūrų. Šis metodas pirmą kartą suteikia saugų, patikimą ir didelio našumo metodą, leidžiantį dinamiškai apibūdinti mikroskopines metamedžiagas.
„Taikydami šį metodą galime paspartinti geriausių medžiagų, pagrįstų norimomis savybėmis, atradimą. Profesorius Carlosas Portela, MIT mechanikos inžinerijos mokyklos tyrėjas, sakė. Tyrėjų komanda šį metodą vadina LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela naudojo metamedžiagas, pagamintas iš įprastų polimerų, kurias 3D būdu atspausdino į mažyčius pastolius primenančius bokštelius, pagamintus iš mikroskopinių statramsčių ir miniatiūrinių sijų. Kiekvienas bokštas yra raštuotas kartojant ir sluoksniuojant atskirus geometrinius vienetus, pavyzdžiui, aštuoniakampę jungiamųjų sijų konfigūraciją. Kai sukraunama viena nuo kitos, bokšto išdėstymas gali suteikti visam polimerui savybių, kurių kitu atveju jis neturėtų.
Tačiau inžinierių galimybės fiziškai išbandyti ir patikrinti šias metamedžiagos savybes yra labai ribotos. Nanoindentacija yra esminis būdas ištirti tokias mikrostruktūras, nors ir labai atsargiai ir kontroliuojamai. Metodas naudoja mikrono dydžio antgalį, kad lėtai stumtų konstrukciją, matuojant nedidelius poslinkius ir jėgas, kai konstrukcija susispaudžia.
Tačiau šią techniką galima atlikti tik labai greitai ir ji gali sugadinti konstrukciją“, – sako Portela. Norėjome rasti būdą, kaip išmatuoti šių konstrukcijų dinaminę elgseną pradiniame atsake į stiprų smūgį, jų nesunaikinant.
Komanda sugalvojo lazerinį ultragarsą – neardomąjį metodą, kuris naudoja trumpus lazerio impulsus, suderintus su ultragarso dažniais, kad sužadintų labai plonas medžiagas (pvz., aukso plėveles) be kontakto. Lazerinis sužadinimas sukuria ultragarso bangas įvairiais dažniais, dėl kurių plėvelė gali vibruoti tam tikru dažniu, kurį mokslininkai gali naudoti norėdami nustatyti tikslų plėvelės storį nanometrų tikslumu. Ši technika taip pat gali būti naudojama norint nustatyti, ar plėvelė turi defektų.
Komanda suprato, kad ultragarsiniai lazeriai taip pat gali saugiai priversti vibruoti savo 3D metamedžiagos bokštus; šie bokštai, kurių aukštis svyruoja nuo 50 mikrometrų iki 200 mikrometrų, yra panašūs į plonas plėveles mikroskopiniu mastu.
Norėdami išbandyti šią idėją, mokslininkai pastatė stalinį įrenginį, kurį sudaro du ultragarsiniai lazeriai - "impulsinis" lazeris, sužadinantis metamedžiagos mėginį, ir "zondas" lazeris, skirtas išmatuoti susidariusias vibracijas. „Zondo“ lazeris, skirtas išmatuoti atsirandančias vibracijas.
Tada mokslininkai ant lusto, mažesnio už nagą, atspausdino šimtus mikroskopinių bokštų, kurių kiekvienas turi tam tikrą aukštį ir struktūrą. Jie įdėjo šią mikroskopinę metamedžiagų struktūrą į du lazerinius blokus ir sužadino bokštus pakartotiniais ultratrumpais impulsais. Tada antrasis lazeris išmatavo kiekvieno bokšto vibracijas. Iš ten komanda rinko duomenis ir ieškojo vibracijų modelių.
Vaizdas 3D spausdintas bokštas. MIT mokslininkai naudojo lazerį, kad saugiai nuskenuotų metamedžiagos mikrobokštus, kurie sukėlė vibracijas, kurios vėliau buvo užfiksuotos antruoju lazeriu ir analizuojamos, kad būtų galima daryti išvadą apie konstrukcijos dinamines savybes, pvz., standumą reaguojant į smūgius.
Visas šias struktūras sužadinome lazeriu tarsi plaktuku smogtume“, – pasakojo Portela. Užfiksavome šimtų bokštų svyravimus, kurie svyravo kiek skirtingai. Iš to galime analizuoti šiuos svyravimus ir išgauti dinamines savybes. kiekvienos struktūros, pavyzdžiui, jų standumas smūgiams ir greitis, kuriuo per jas sklinda ultragarso bangos.
Tyrėjai naudojo tą pačią techniką, norėdami nuskaityti pilonus dėl defektų. Jie 3D atspausdino kelis bokštus be defektų, o paskui atspausdino tas pačias struktūras su įvairaus laipsnio defektais, pavyzdžiui, trūkstamais statramsčiais ir sijomis (kurie yra net mažesni už raudonuosius kraujo kūnelius).
Portela sako: "Kadangi kiekvienas bokštas turi vibracinį parašą, mes nustatėme, kad kuo daugiau defektų įdedame į tą pačią struktūrą, tuo labiau šis parašas keičiasi. Jei aptinkate konstrukciją su šiek tiek kitokiu parašu, žinote, kad ji nėra tobula."
Pasak jo, mokslininkai galėtų lengvai atkurti lazerinį įrenginį savo laboratorijose. Tuomet būtų paspartintas praktinių, realaus pasaulio metamedžiagų atradimas. Portelos atveju jis aistringai kuria ir išbando metamedžiagas ultragarso bangoms fokusuoti, pavyzdžiui, kad padidintų ultragarso zondų jautrumą. Jis taip pat tiria smūgiams atsparias metamedžiagas, pavyzdžiui, skirtas dviračių šalmų viduje esančių įdėklų dizainui.
Tyrėjai teigė, kad apibūdindami dinamišką metamedžiagų elgesį per šį tyrimą, bus galima ištirti metamedžiagų kraštutinumus. Tyrimas buvo paskelbtas žurnale Nature.