Lazer Teknolojisinin Yeni Uygulaması: Meta Malzemeler Üzerine Araştırmaların Arttırılması

Metamalzemeler, gündelik polimerlerden, seramiklerden ve metallerden yapılmış olsalar da, karmaşık ve karmaşık hassas mikro yapıları nedeniyle olağanüstü özelliklere sahiptir.
Bilgisayar simülasyonlarının yardımıyla mühendisler herhangi bir sayıda mikro yapıyı birleştirebilir ve belirli malzemelerin nasıl dönüştüğünü gözlemleyebilir; örneğin belirli malzemelerin ses odaklı akustik lenslere veya hafif kurşun geçirmez membranlara nasıl dönüştürülebileceğini görebilirler.
Ancak simülasyon tasarımı ancak bu kadar ileri gidebilir. İstenilen sonuçları elde edip edemeyeceklerini belirlemek için metamalzemelerin fiziksel testleri gereklidir. Ancak metamateryalleri mikroskobik ölçekte itip çekmenin ve bu süreçte metamateryal yapıya dokunmadan ve fiziksel olarak zarar vermeden nasıl tepki vereceklerini görmenin güvenilir bir yolu bulunamadı.
Bu sorunu çözmek için MIT araştırmacıları, iki ışınlı bir lazer sistemi kullanarak meta malzemeleri araştırmak için bir teknik geliştirdiler; bir lazer ışını yapıyı hızla aydınlatıyor ve diğer lazer ışını, tıpkı bir zile çarpmak gibi, yapının titreşimlere tepki verme şeklini ölçüyor. bir tokmak ve yankısını kaydediyor. Çekiçten farklı olarak lazerler fiziksel temas kurmaz. Yine de, sanki yapı fiziksel olarak çarpılmış, gerilmiş veya kesilmiş gibi, meta malzemenin küçük kirişlerinde ve payandalarında titreşimler yaratıyorlar.
Resim Bu optik mikrograf, yansıtıcı bir alt tabaka üzerindeki bir dizi mikroskobik meta malzeme örneğini göstermektedir.
Mühendisler daha sonra ortaya çıkan titreşimleri, malzemenin darbelere nasıl tepki verdiği ve sesi nasıl emdiği veya dağıttığı gibi çeşitli dinamik özelliklerini hesaplamak için kullanabilirler. Ultra hızlı lazer darbeleri kullanarak yüzlerce mikro yapıyı birkaç dakika içinde harekete geçirebilir ve ölçebilirler. Bu teknik, ilk kez mikro ölçekli meta malzemeleri dinamik olarak karakterize etmek için güvenli, güvenilir ve yüksek verimli bir yöntem sağlar.
"Bu yaklaşımla istenilen özelliklere göre en iyi malzemelerin keşfini hızlandırabiliriz." MIT Makine Mühendisliği Okulu'ndan araştırmacı Profesör Carlos Portela şunları söyledi: Araştırma ekibi bu yönteme LIRAS (Lazer Kaynaklı Rezonans Akustik Spektroskopi) adını veriyor.
Portela, yaygın olarak kullanılan polimerlerden yapılmış meta malzemeleri kullandı ve bunları mikroskobik dikmelerden ve minyatür kirişlerden oluşan küçük iskele benzeri kulelere 3D olarak yazdırdı. Her kule, bağlantı kirişlerinin sekizgen konfigürasyonu gibi bireysel geometrik birimlerin tekrarlanması ve katmanlanmasıyla desenlendirilmiştir. Kule düzenlemesi, uç uca istiflendiğinde polimerin tamamına başka türlü sahip olamayacağı özellikler kazandırabilir.
Ancak mühendislerin bu metamalzeme özelliklerini fiziksel olarak test etme ve doğrulama seçenekleri ciddi şekilde sınırlıdır. Nanoindentasyon, bu tür mikro yapıları çok dikkatli ve kontrollü bir şekilde incelemenin en mükemmel yoludur. Yöntem, yapı sıkıştıkça küçük yer değiştirmeleri ve kuvvetleri ölçerken yapıyı yavaşça aşağı itmek için mikron boyutunda bir uç kullanıyor.
Ancak bu teknik ancak çok hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir ve yapıya zarar verebilir" diyor Portela. Güçlü bir darbeye verilen ilk tepkide bu yapıların dinamik davranışını, onları yok etmeden ölçmenin bir yolunu bulmak istedik."
Ekip, çok ince malzemeleri (altın filmler gibi) temas etmeden harekete geçirmek için ultrasonik frekanslara ayarlanmış kısa lazer darbelerini kullanan, tahribatsız bir yöntem olan lazer ultrasonu geliştirdi. Lazer uyarımı, filmin belirli bir frekansta titreşmesine neden olabilecek bir frekans aralığında ultrason dalgaları üretir; bilim adamları bunu, filmin kesin kalınlığını nanometre doğruluğuyla belirlemek için kullanabilirler. Bu teknik aynı zamanda bir filmde kusur olup olmadığını belirlemek için de kullanılabilir.
Ekip, ultrasonik lazerlerin aynı zamanda 3 boyutlu meta malzeme kulelerini güvenli bir şekilde titreştirebileceğini fark etti; Yükseklikleri 50 mikrometre ile 200 mikrometre arasında değişen bu kuleler, mikroskobik ölçekte ince filmlere benziyor.
Bu fikri test etmek için araştırmacılar, iki ultrasonik lazerden oluşan bir masa üstü cihaz inşa ettiler: meta malzeme örneğini uyarmak için bir "darbeli" lazer ve ortaya çıkan titreşimleri ölçmek için bir "sonda" lazer. Ortaya çıkan titreşimleri ölçmek için bir "sonda" lazeri.
Araştırmacılar daha sonra her biri belirli bir yüksekliğe ve yapıya sahip yüzlerce mikroskobik kuleyi tırnaktan daha küçük bir çip üzerine bastılar. Meta malzemelerin bu mikroskobik yapısını iki lazer ünitesine yerleştirdiler ve ardından tekrarlanan ultra kısa darbelerle kuleleri harekete geçirdiler. Daha sonra ikinci lazer her kulenin titreşimini ölçtü. Ekip buradan veri topladı ve titreşimlerdeki kalıpları aradı.
Görüntü 3D baskılı kule. MIT araştırmacıları, titreşimleri tetikleyen metamateryal mikro kuleleri güvenli bir şekilde taramak için bir lazer kullandılar; bu titreşimler daha sonra ikinci bir lazerle yakalandı ve şoklara tepki olarak sertlik gibi yapının dinamik özelliklerini çıkarmak için analiz edildi.
Portela, "Tüm bu yapıları lazerle sanki çekiçle vuruyormuşuz gibi heyecanlandırdık" dedi. Biraz farklı şekillerde salınan yüzlerce kulenin salınımlarını yakaladık. Bundan bu salınımları analiz edebilir ve dinamik özellikleri çıkarabiliriz. darbeye karşı sertlikleri ve ultrason dalgalarının bunların içinden yayılma hızı gibi her bir yapının özellikleri."
Araştırmacılar aynı tekniği direkleri kusurlara karşı taramak için kullandılar. Birkaç hatasız kuleyi 3D olarak bastılar ve ardından aynı yapıları, eksik dikmeler ve kirişler (kırmızı kan hücrelerinden bile daha küçük) gibi değişen derecelerde kusurlarla bastılar.
Portela şöyle diyor: "Her kulenin bir titreşim imzası olduğundan, aynı yapıya ne kadar çok kusur koyarsak, bu imzanın o kadar çok değiştiğini gördük. Biraz farklı bir imzaya sahip bir yapı tespit ederseniz, onun mükemmel olmadığını bilirsiniz."
Bilim adamlarının lazer cihazını kendi laboratuvarlarında kolayca yeniden oluşturabileceklerini söyledi. Böylece pratik, gerçek dünyaya ait metamateryallerin keşfi hızlandırılacak. Portela'nın durumunda, ultrason dalgalarını odaklamak için (örneğin ultrason problarının hassasiyetini artırmak için) meta materyaller oluşturma ve test etme konusunda tutkulu. Ayrıca, örneğin bisiklet kasklarının içindeki astar düzenlemelerinin tasarımı için darbeye dayanıklı meta malzemeleri de araştırıyor.
Araştırmacılar, metamateryallerin dinamik davranışlarını bu araştırma yoluyla karakterize etmenin, metamateryallerin uç noktalarını keşfetmeye yardımcı olacağını söyledi. Çalışma Nature dergisinde yayınlandı.