超材料是由常规材料如聚合物、陶瓷和金属制成，它们通过微观尺度的精细设计在结构上展现出非凡性能。工程师们依靠计算机模拟来探索各种微观结构的组合，从而发现某些材料是如何实现特殊转换的，比如变成能聚焦声波的声学透镜或轻质防弹薄膜。为了确切地验证一种超材料是否能达到预期效果，还必须对其进行物理测试。然而，目前还没有可靠的方法在微观层面上对超材料施加力并了解其反应，同时又能够实现无接触或在物理上破坏其结构。
为应对这一难题，麻省理工学院的研究团队开发了一种新技术：利用两束激光来检测超材料，一束激光迅速击中结构，另一束则测量其振动响应模式，类似于敲钟并记录其回声。激光不会造成物理接触，但能在超材料的微小梁和支柱上产生振动，仿佛这些结构遭受了物理的撞击、拉伸或剪切。研究人员随后可利用这些振动数据来精确计算材料的动态特性，例如对冲击的响应，以及吸收或散射声波的方式。
通过使用超快速的激光脉冲，他们能够在短短几分钟内激发并测量数百个微型结构。这项技术首次为微观尺度上的超材料提供了一种既安全又可靠的高效动态表征方法。
麻省理工学院教授Carlos Portela表示：“借助这种方法，我们能够更快速地筛选出最适合预期性能的材料。”他与麻省理工学院以及美国能源部堪萨斯城国家安全园区的同事们共同将这种方法命名为LIRAS（激光诱导共振声光谱法）。其相关研究成果以“Dynamic diagnosis of metamaterials through laser-induced vibrational signatures”为题发表在Nature期刊上，为加速数据驱动的材料和微器件在保护结构、医疗超声或振动隔离等动态应用中的发现提供了新途径。 图1呈现了反射基板上一系列微观超材料样品的精细光学显微图像。
图1 微观超材料样品光学显微图像
图源：麻省理工学院提供
在这些图像中，通过先进的数字技术加入了激光脉冲效果，直观地展现了泵（以红色标识）和探针（以绿色标识）脉冲在样品诊断中心的交互作用。利用LIRAS技术，可以在短短几分钟内完成对基底上所有样品的扫描分析。
Carlos Portela使用的超材料是由普通聚合物制成的，他运用3D打印技术将其制成由微观支柱和梁组成的细小的脚手架式塔状结构。每个塔的设计都采用了重复叠加的单一几何形态，如八角形连接梁的排列方式。这些端对端堆叠的塔状结构，为聚合物赋予了一些原本不具备的特殊性质。
然而，在物理测试和验证这些超材料特性的过程中，工程师们面临着严峻的挑战。纳米压痕法是探测这种微观结构的常用标准方法，要求非常精确和细致的操作。在这个过程中，工程师们会使用一个微米级别的尖端对结构施加缓慢的压力，同时细致地测量结构在受到压迫时产生的微小位移和力的变化。
Carlos Portela表示：“但这种技术只能做到这么快，同时也会破坏结构，我们正寻求一种能够精准测量结构动态行为的方法，比如对强烈撞击的即时反应，同时尽量减少对它们的损害。”因此，团队采用了激光超声技术，这是一种无损检测方法。它通过使用调整至超声频率的短激光脉冲来激发极薄的材料（如金薄膜），而无需与之物理接触。通过激光激发产生的超声波，可以使薄膜在特定范围内以一定频率振动。科学家们据此频率可精确测定薄膜的厚度，精度达到纳米级别。此技术还可用于检测薄膜是否存在缺陷。
Carlos Portela和他的同事们意识到，超声波激光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 μm不等，与薄膜的微观尺度相似。
为了验证这一想法，博士后Yun Kai搭建了一个由两个超声波激光器组成的桌面装置：一个“脉冲”激光器用于激发超材料样品，另一个“探针”激光器用于测量产生的振动。
研究团队在一块指甲大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。他们将这些超材料微观结构阵列放置在双激光装置中，使用重复的超短脉冲来激发这些塔。第二束激光负责测量每个塔的振动情况。随后，研究小组收集并分析数据，以寻找振动模式，推断结构的动态特性。
图2 麻省理工学院的一项新技术使用激光安全地扫描超材料的微观塔
图源：麻省理工学院提供
Carlos Portela解释道：“我们通过激光激发这些结构，这类似于用锤子敲击它们。随后，我们捕捉了数百座微型塔的振动反应，发现它们的振动模式各不相同。接着，我们分析这些振动数据，从中提取出每个结构的动态特性，例如它们对冲击的响应刚度，以及超声波穿过它们的速度。”
研究团队还运用相同的技术来探测塔结构中的缺陷。他们首先打印了一些无缺陷的塔，然后再打印了具有缺少支柱和梁等缺陷的相同结构，每个缺陷大小都小于一个红细胞。
“由于每个塔都有其独特的振动模式，我们发现，在同一结构中引入的缺陷越多，这些特性的变化就越明显。” Carlos Portela补充道，“你可以将其比作扫描一条装配线上的结构。如果检测到某个信号略有不同，就能判断该结构存在缺陷。”
图3 动态缺陷识别
Carlos Portela还指出，科学家们可以轻松地在自己的实验室中重建这种激光装置。随着这项技术的普及，将大大促进实用超材料在真实世界中的发展和应用。对于Carlos Portela而言，他特别感兴趣于制造和测试那些能够聚焦超声波的超材料，比如用于提高超声波探头灵敏度的材料。他还在研究用于抗冲击的超材料，例如用于自行车头盔的内衬材料。Yun Kai则表示：“ 我们深知制造能减轻冲击和影响的材料的重要性。如今，我们首次能够详细描述超材料的动态行为，并对其进行深入的探索。”
这项创新不仅加快了超材料的特性评估过程，而且为未来超材料的设计和应用提供了更精确和高效的方法。
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