新技术可加速开发声学透镜、抗冲击薄膜和其他未来材料

这张光学显微照片显示的是反射基底上的超材料微观样品阵列。激光脉冲经过数字添加，描绘出泵浦脉冲（红色）和探针脉冲（绿色）对中间样品的诊断。LIRAS 技术可在几分钟内扫描完基底上的所有样品。资料来源：卡洛斯-波特拉、云凯等人

超材料是工程奇迹的产物。它们由日常的聚合物、陶瓷和金属制成。当这些普通材料在微观尺度上被精确地构造成错综复杂的结构时，它们就会具有非凡的特性。

在计算机模拟的帮助下，工程师们可以任意组合微观结构，观察某些材料如何转变，例如，变成声音聚焦的声学透镜或轻质防弹薄膜。

但是，模拟只能让设计走到这一步。要确定超材料是否能达到预期效果，必须对其进行物理测试。但是，一直以来都没有可靠的方法在微尺度上对超材料进行推拉，并在不接触和不对结构造成物理损伤的情况下了解它们的反应。

现在，一种基于激光的新技术提供了一种安全、快速的解决方案，可以加快发现具有实际应用前景的超材料。

该技术由麻省理工学院的工程师开发，利用两束激光系统探测超材料，一束激光快速照射结构，另一束激光测量结构的振动响应方式，就像用木槌敲击钟声并记录其混响一样。与木槌相比，激光没有任何物理接触。然而，它们却能在超材料的微小横梁和支杆上产生振动，就像对结构进行物理敲击、拉伸或剪切一样。

然后，工程师们就可以利用产生的振动来计算材料的各种动态特性，例如材料对撞击的反应，以及材料对声音的吸收或散射。利用超快激光脉冲，他们可以在几分钟内激发并测量数百个微型结构。这项新技术首次为动态表征微尺度超材料提供了一种安全、可靠和高通量的方法。

"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布里特和亚历克斯-达贝洛夫职业发展教授卡洛斯-波特拉（Carlos Portela）说。"有了这种方法，我们就能根据你想要的特性，加速发现最佳材料"。

波特拉和他的同事们在即将发表于《自然》（Nature）的一篇论文中详细介绍了他们的新系统，并将其命名为 LIRAS（激光诱导共振声学光谱）。他在麻省理工学院的合著者包括第一作者云凯、Somayajulu Dhulipala、Rachel Sun、Jet Lem 和 Thomas Pezeril，以及能源部堪萨斯城国家安全园区的华盛顿-德利马。

缓慢的尖端
波特拉使用的超材料由普通聚合物制成，他用三维打印技术将这些聚合物打印成由微型支柱和横梁组成的类似脚手架的小塔。每个塔都是通过重复和分层单个几何单元（如连接梁的八点配置）来形成图案的。当塔架首尾相接地堆叠在一起时，可以赋予整个聚合物原本不具备的特性。

但是，工程师在对这些超材料特性进行物理测试和验证时受到很大限制。纳米压痕法是探测此类微结构的典型方法，不过是以一种非常谨慎和受控的方式进行的。这种方法使用一个微米级的针尖缓慢地向下压一个结构，同时测量结构在压缩过程中产生的微小位移和力。

"波特拉指出："但这种技术的速度只能这么快，同时还会损坏结构。"我们希望找到一种方法来测量这些结构的动态行为，例如在受到强烈撞击时的初始反应，但又不会破坏它们。

元）物质世界
研究小组转而使用激光超声波--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，在不实际接触金膜等极薄材料的情况下激发它们。激光激发产生的超声波在一定范围内可以引起薄膜的振动频率，科学家可以利用这种频率确定薄膜的精确厚度，精确到纳米级。这种技术还可用于确定薄膜是否存在缺陷。

波特拉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三维超材料塔振动；超材料塔的高度从 50 微米到 200 微米不等，大约是人类头发直径的两倍，其微观尺度与薄膜相似。

为了验证这一想法，加入波特拉研究小组的云凯（Yun Kai）利用自己在激光光学方面的专业知识，建立了一个由两台超声波激光器组成的桌面装置--一台 "脉冲 "激光器用于激发超材料样品，另一台 "探针 "激光器用于测量由此产生的振动。

然后，研究小组在一块比指甲盖还小的芯片上打印了数百个微型塔，每个塔都有特定的高度和结构。他们把这个微型超材料城市放在双激光装置中，然后用重复的超短脉冲激发这些塔。第二台激光器测量每座塔的振动。然后，研究小组收集数据，寻找振动模式。

"我们用激光激发所有这些结构，就像用锤子敲它们一样。然后我们从数百座塔上捕捉所有的摆动，它们的摆动方式略有不同，"Portela 说。"然后，我们就可以分析这些摆动，提取每个结构的动态特性，例如它们对撞击的刚度反应，以及超声波穿过它们的速度。

研究小组使用同样的技术扫描塔架的缺陷。他们打印了几个无缺陷的塔，然后又打印了相同的结构，但存在不同程度的缺陷，如支柱和横梁缺失，每个缺陷都比红细胞小。

"波特拉解释说："由于每个塔都有一个振动特征，我们发现，在同一个结构中加入的缺陷越多，这个特征的变化就越大。"你可以想象扫描一条装配线上的结构。如果你检测到其中一个结构的特征略有不同，你就知道它并不完美。

他说，科学家们可以很容易地在自己的实验室里重新创建激光装置。然后，波特拉预测，实用的、真实世界的超材料的发现将会起飞。波特拉热衷于制造和测试能聚焦超声波的超材料，例如提高超声探头的灵敏度。他还在探索抗冲击的超材料，例如用于自行车头盔的内衬。

"凯说："我们知道，制造减轻冲击和撞击的材料有多么重要。"现在，通过我们的研究，我们第一次可以描述超材料的动态行为，并将其探索到极致"。

参考资料

Carlos Portela, Dynamic diagnosis of metamaterials through laser-induced vibrational signatures, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06652-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06652-x

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。