在計(jì)算機(jī)模擬的幫助下，工程師們可以任意組合微觀結(jié)構(gòu)，觀察某些材料如何轉(zhuǎn)變，比如看看某些材料如何轉(zhuǎn)化為聲聚焦聲學(xué)透鏡或輕質(zhì)防彈膜等。 

 

但是，模擬設(shè)計(jì)只能到此為止。要確定超材料是否能達(dá)到預(yù)期效果，必須對其進(jìn)行物理測試。但一直沒有可靠的方法在微觀尺度上對超材料進(jìn)行推拉，并了解它們將如何反應(yīng)，而在此過程中又不會接觸和物理損壞超材料結(jié)構(gòu)。

 

為了解決這個問題，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，利用兩束激光系統(tǒng)探測超材料——一束激光快速照射結(jié)構(gòu)，另一束激光測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)方式，就像用木槌敲擊鐘聲并記錄其混響一樣。與木槌相比，激光沒有任何物理接觸。然而，它們卻能在超材料的微小橫梁和支柱上產(chǎn)生振動，就像結(jié)構(gòu)受到物理打擊、拉伸或剪切一樣。

這張光學(xué)顯微照片顯示了反射基板上的微觀超材料樣品陣列

 

 

 

然后，工程師們就可以利用由此產(chǎn)生的振動來計(jì)算材料的各種動態(tài)特性，例如材料對沖擊的反應(yīng)以及材料對聲音的吸收或散射。利用超快激光脈沖，他們可以在幾分鐘內(nèi)激發(fā)并測量數(shù)百個微型結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)首次為動態(tài)表征微尺度超材料提供了一種安全、可靠和高通量的方法。 

 

“有了這種方法，我們可以根據(jù)想要的特性，加快最佳材料的發(fā)現(xiàn)。”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的研究人員Carlos Portela教授表示。研究團(tuán)隊(duì)將這種方法稱為LIRAS（激光誘導(dǎo)共振聲學(xué)光譜學(xué)）。 

 

Portela使用的超材料是由常見的聚合物制成的，他將這些聚合物3D打印成由微觀支柱和微型梁制成的微小的腳手架狀塔。每座塔都通過重復(fù)和分層單個幾何單元來形成圖案，例如連接梁的八角配置。當(dāng)端對端堆疊時(shí)，塔式排列可以賦予整個聚合物原本不具有的特性。 

 

但工程師們在物理測試和驗(yàn)證這些超材料特性方面的選擇受到嚴(yán)重限制。納米壓痕是探測這種微觀結(jié)構(gòu)的典型方式，盡管是以一種非常謹(jǐn)慎和可控的方式。該方法使用微米級尖端緩慢向下推動結(jié)構(gòu)，同時(shí)測量結(jié)構(gòu)壓縮時(shí)的微小位移和力。 

 

Portela說：“但這種技術(shù)只能進(jìn)行得很快，且會破壞結(jié)構(gòu)。我們想找到一種方法來測量這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為，在對強(qiáng)烈撞擊的初始反應(yīng)中，又不會破壞它們。” 

 

該團(tuán)隊(duì)想到了激光超聲波——一種非破壞性方法，使用調(diào)諧到超聲頻率的短激光脈沖來激發(fā)非常薄的材料（如金膜），而無需接觸。激光激發(fā)產(chǎn)生的超聲波在一定范圍內(nèi)，可以使薄膜以一定的頻率振動，而科學(xué)家可以利用該頻率來確定薄膜精確厚度，精度可達(dá)納米級。該技術(shù)也可用于確定薄膜是否存在缺陷。

 

研究團(tuán)隊(duì)意識到，超聲波激光器也可以安全地誘導(dǎo)他們的3D超材料塔振動；這些塔的高度從50微米到200微米不等，在微觀尺度上與薄膜相似。 

 

為了驗(yàn)證這一想法，研究人員建造了一個由兩個超聲波激光器組成的桌面裝置——一個用于激發(fā)超材料樣品的“脈沖”激光器和一個用于測量由此產(chǎn)生的振動的“探測”激光器。 

 

然后，研究人員在一塊小于指甲蓋的芯片上打印了數(shù)百個微觀塔，每個塔都有特定的高度和結(jié)構(gòu)。他們將這座超材料的微型結(jié)構(gòu)放置在兩個激光器裝置中，然后用重復(fù)的超短脈沖激發(fā)塔體。第二臺激光器則測量了每座塔體的振動。由此，研究小組收集了數(shù)據(jù)，并尋找振動的模式。