機(jī)械超材料是一類具有微米或納米尺度上功能性三維形態(tài)的材料，其卓越特性取決于其三維結(jié)構(gòu)單元。在過(guò)去的十多年里，研究人員一直專注于探索這些材料在靜態(tài)條件下的奇異機(jī)械特性，如接近理論極限的剛度和強(qiáng)度、高機(jī)械彈性、以及能量吸收或負(fù)泊松比。盡管在這方面取得了顯著進(jìn)展，但對(duì)于這些納米級(jí)和微米級(jí)超材料在準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)之外的動(dòng)態(tài)條件下的行為，我們的了解仍然相對(duì)有限。這驅(qū)使研究人員著手探索與高速?zèng)_擊緩解和醫(yī)用超聲相關(guān)的動(dòng)態(tài)條件，因?yàn)檫@些材料在這些場(chǎng)景下表現(xiàn)出卓越的性能。從理論和計(jì)算的角度已經(jīng)深入研究了與波傳播、高阻尼或高速變形相關(guān)的奇特響應(yīng)，但在實(shí)驗(yàn)演示方面仍然存在明顯的不足。由于低通量和破壞性的表征方法，以及缺乏現(xiàn)有的測(cè)試協(xié)議，獲取小尺度動(dòng)態(tài)特性仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
在此，麻省理工學(xué)院(MIT)的Carlos M. Portela和Thomas Pezeril共同展示了一種高通量、非接觸式框架，利用超材料內(nèi)的 MHz 波傳播特征，非破壞性地提取動(dòng)態(tài)線性特性、全向彈性信息、阻尼特性和缺陷量化。利用微觀超材料的桿狀鑲嵌，作者報(bào)告了在應(yīng)變速率接近 102 s-1 時(shí)高達(dá) 94% 的隨方向和隨速率變化的動(dòng)態(tài)剛度，以及比其組成材料高三倍的阻尼特性。作者還表明，通過(guò)振動(dòng)響應(yīng)的頻率偏移可以鑒定超材料內(nèi)部的隱形缺陷，通過(guò)選擇性探測(cè)可以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)彈性表面，而這在以前只能通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)。此工作為加速數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料和微器件的發(fā)現(xiàn)提供了一條途徑，這些材料和器件可用于保護(hù)結(jié)構(gòu)、醫(yī)療超聲或振動(dòng)隔離等動(dòng)態(tài)應(yīng)用。相關(guān)成果以“Dynamic diagnosis of metamaterials through laser-induced vibrational signatures”為題發(fā)表在《Nature》上，第一作者為Yun Kai。
激光誘導(dǎo)彈性波
為了在微尺度上對(duì)超材料進(jìn)行高通量、非破壞性的表征，作者設(shè)計(jì)了一種基于脈沖激光的技術(shù)，利用光聲激發(fā)材料樣品表面的彈性波，類似于光聲薄膜和多晶金屬表征研究。激光誘導(dǎo)共振聲學(xué)光譜法（LIRAS）由兩個(gè)獨(dú)立的泵浦和探頭模塊組成（圖 1a）。泵浦模塊包括一個(gè)皮秒脈沖激光器，該激光器應(yīng)用于帶有薄鉻涂層的三維樣品，該鉻涂層可部分吸收激光脈沖并誘導(dǎo)寬帶聲波。然后，由相位掩膜干涉儀組成的探頭模塊測(cè)量由此產(chǎn)生的樣品表面位移。為了便于提取超材料的機(jī)械特性，作者使用雙光子光刻系統(tǒng)以細(xì)長(zhǎng)的縱橫比制作了 IP-Dip 光刻膠聚合物微晶格。利用這些經(jīng)典幾何結(jié)構(gòu)中的立方對(duì)稱性，可通過(guò)沿[100]、[110]和[111]等晶格取向制作超材料樣品以及單片 IP-Dip 聚合物樣品進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)超材料各向異性檢測(cè)（圖 1a 中的插圖）。
為了研究不同類型的彈性超材料響應(yīng)，作者的 LIRAS 技術(shù)能夠激發(fā)和測(cè)量三種類型的彈性波：(1) 縱波、(2) 扭轉(zhuǎn)波和 (3) 彎曲波。通過(guò)調(diào)整激光器的泵浦-連續(xù)波（CW）探測(cè)方案（圖 1b），實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述每種波的初級(jí)激發(fā)。具體來(lái)說(shuō)，位于樣品中心的重合泵浦-連續(xù)波探針激光器在超材料中誘發(fā)的主要是縱波，而在具有獨(dú)立泵浦-探針位置的改良樣品頂部進(jìn)行的橫向激勵(lì)則誘發(fā)了扭轉(zhuǎn)波。同樣，從不同泵探針位置的樣品頂部進(jìn)行偏離中心的激勵(lì)，也會(huì)在超材料中引發(fā)主要是撓曲波。如圖 1c 所示，特征響應(yīng)波形因固有振動(dòng)衰減而衰減，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約 200 μs，具體取決于樣品類型和泵方案。
圖 1：超材料中彈性波的非接觸式激光誘導(dǎo)激發(fā)和探測(cè)
在玻璃基底上制作超材料會(huì)在基底和頂部分別產(chǎn)生鉗位和自由邊界條件，從而在激光激勵(lì)下產(chǎn)生波長(zhǎng)為 λ = 4H/m 的駐波。因此，改變樣品高度可實(shí)現(xiàn)波矢 k 的可調(diào)諧性，波矢 k 的大小定義為波長(zhǎng) |k| = 1/λ。通過(guò)制作和測(cè)試高度不斷增加的樣品，可以提取出不同波矢的共振頻率（圖 2a）。在每個(gè)樣品受到104個(gè)泵浦激光脈沖激發(fā)后，通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）提取超材料時(shí)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻率內(nèi)容。利用中心泵-CW 探針?lè)桨福骱未_定了所有 5 × 5 × n 樣品（圖 2b ）的基本縱向模式峰值。除了這個(gè)主峰外，大多數(shù)樣品（如圖 2b 中的 3L 和 5L）還能測(cè)量到高階諧波。作者還在單片樣品中測(cè)量到了與高度無(wú)關(guān)的泊松效應(yīng)橫向模式，而在超材料中無(wú)法測(cè)量到這種模式，因?yàn)樵谶@種較短的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，微結(jié)構(gòu)散射非常明顯。利用偏離中心的泵-CW 探針?lè)桨?，作者主要激發(fā)了撓曲模式以及較弱的縱向模式（圖 2c）。為了測(cè)量扭轉(zhuǎn)模式，作者采用了橫向泵-波探針?lè)桨?，即在超材料樣品的?cè)面制作一個(gè)平面反射面，并在該表面的兩個(gè)不同橫向位置進(jìn)行泵和探針（見(jiàn)圖 2d）。這種方案主要激發(fā)撓曲模式，但也能測(cè)量扭轉(zhuǎn)模式。
圖2：超材料的LIRAS動(dòng)態(tài)測(cè)量
高通量動(dòng)態(tài)機(jī)械表征
雖然利用 LIRAS 技術(shù)獲得的頻散關(guān)系有助于深入了解這些超材料所支持的不同類型的彈性波，但最終目標(biāo)是利用這些信息來(lái)確定它們的動(dòng)態(tài)機(jī)械特性。通過(guò)位移校準(zhǔn) LIRAS 實(shí)驗(yàn)，確定了整體聚合物和單片聚合物的特征均方根應(yīng)變率以及八元超材料的特征均方根（r.m.s）應(yīng)變率，從而對(duì)應(yīng)于 MHz 超聲波動(dòng)態(tài)范圍。正如八面體和四開(kāi)十面體所預(yù)期的那樣，測(cè)得的有效剛度（圖 3a）顯示出與方向相關(guān)的數(shù)值。
為了量化樣品響應(yīng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，作者使用位移控制納米壓頭對(duì)與 LIRAS 測(cè)試樣品相同的樣品進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果證實(shí)，通過(guò)光聲激勵(lì)實(shí)現(xiàn)高速納米尺度位移可有效地進(jìn)行非破壞性動(dòng)態(tài)表征，為單次測(cè)量破壞性實(shí)驗(yàn)及其隨之而來(lái)的信噪比挑戰(zhàn)提供了替代方案。除了實(shí)現(xiàn)高通量線性機(jī)械特性測(cè)量外，LIRAS 的頻譜分析還提供了超材料的阻尼特性。測(cè)量結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)和各向異性可以在很寬的超聲頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻尼特性。這兩種超材料在順應(yīng)方向和以彎曲為主的結(jié)構(gòu)中都顯示出較高的阻尼能力，而在剛性和以拉伸為主的響應(yīng)中則顯示出較低的阻尼能力。
圖3：超材料的動(dòng)態(tài)彈性和阻尼特性
全向彈性特性
現(xiàn)有的超材料表征方法主要局限于報(bào)告沿選定方向的有效楊氏模量，只能提供材料各向異性的部分信息，缺乏對(duì)有效剪切模量等特性的測(cè)量。計(jì)算均質(zhì)化等數(shù)值方法一直是獲取超材料幾何結(jié)構(gòu)完整彈性張量信息的首選技術(shù)，但其提供的指標(biāo)尚未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了填補(bǔ)這一實(shí)驗(yàn)空白，作者利用LIRAS 技術(shù)的能力，在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)超材料進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)彈性張量提取。
為了初步驗(yàn)證 LIRAS 得出的與測(cè)量頻率和表觀各向異性有關(guān)的特性，本文采用了三種計(jì)算方法，共同預(yù)測(cè)超材料內(nèi)部的預(yù)期各向異性和波傳播特性。第一種比較方法包括對(duì)離散 5 × 5 × n 網(wǎng)格的有限元表示進(jìn)行有限特征頻率計(jì)算。如圖 4a 所示，縱向、扭轉(zhuǎn)和撓曲共振模式及相關(guān)特征頻率的識(shí)別與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致，尤其是在長(zhǎng)波長(zhǎng)極限。作為第二種驗(yàn)證方法，作者對(duì)超材料單元單元進(jìn)行了布洛赫波分析，該分析提供了能夠識(shí)別縱向和剪切模式的頻散關(guān)系。第三種計(jì)算方法包括線性靜態(tài)均質(zhì)化，它提取了超材料的彈性張量，并對(duì)各個(gè)方向上的有效剛度進(jìn)行了計(jì)算，并將其表示為一個(gè)彈性曲面（圖 4b，頂部）。
圖 4：波傳播驗(yàn)證和全向彈性特性
無(wú)損缺陷識(shí)別
盡管制造各種尺度的機(jī)械超材料的途徑很多，但由于制造或加工問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)各種形式的缺陷，并最終降低其機(jī)械性能。在納米到微米尺度上，超材料仍然依賴于掃描電子顯微鏡（SEM）或三維 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)行制造后表征，但不可避免地會(huì)受到分辨率和掃描耗時(shí)的限制。使用接觸式超聲的其他非破壞性技術(shù)已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，但仍不適用于與超材料或微機(jī)電設(shè)備相關(guān)的小長(zhǎng)度尺度。
作為一種替代方法，本文使用 LIRAS 通過(guò)測(cè)量波傳播響應(yīng)的變化，對(duì)微觀樣品進(jìn)行高通量缺陷識(shí)別。具體來(lái)說(shuō)，按照中心泵方案，我們確定了作為缺陷密度函數(shù)的共振頻率變化。為了驗(yàn)證這些能力，作者研究了固體夾雜物和缺失特征。為了模擬未聚合樹(shù)脂在樣品中滯留而造成的固體夾雜物缺陷，作者設(shè)計(jì)并制造了 5 × 5 × 10 八面體超材料，每個(gè)垂直細(xì)分層都有不同程度的立方體固體夾雜物（圖 5a）。作者將夾雜物的尺寸與大約 10 μm 的八面體單元尺寸相匹配，制作出了每層缺陷從零到四個(gè)不等的樣品，并測(cè)量了它們?cè)诩ぐl(fā)時(shí)的主要共振模式。這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每層的缺陷數(shù)在 1 到 3 個(gè)之間時(shí)，共振頻率比無(wú)夾雜物的樣品提高了大約 2% 到 8% （圖 5b）。當(dāng)每層有四個(gè)夾雜物時(shí)，共振頻率增加了 23%，這可能是由于累積的固體夾雜物在幾層中形成了固體疇，導(dǎo)致剛度明顯增加。
為了模擬第二種缺陷類型，作者設(shè)計(jì)了 5 × 5 × 10 八面體超材料。從完美的正四面體開(kāi)始，作者制作了具有不同比例缺失梁的樣品，最大缺失特征為 40%，以確保結(jié)構(gòu)的完整性（圖 5c）。LIRAS 測(cè)量結(jié)果表明，縱向和撓曲模式的共振頻率逐漸降低（圖 5d）。假設(shè)縱向頻率隨梁的缺失而線性降低，作者發(fā)現(xiàn)梁缺失率每降低一個(gè)百分點(diǎn)，共振頻率就會(huì)降低 27 千赫，而撓曲模式的梁缺失率每降低一個(gè)百分點(diǎn)，共振頻率就會(huì)降低 7 千赫。這兩種缺陷探索都表明，共振頻率偏移提供了足夠的分辨率來(lái)確定缺陷密度，否則無(wú)法有效識(shí)別或量化缺陷密度。
圖 5：振動(dòng)缺陷識(shí)別
小結(jié)
總之，作者設(shè)計(jì)并演示了一種基于激光的框架，它能夠?qū)ξ⒂^超材料進(jìn)行非接觸、高通量的表征。通過(guò)利用材料內(nèi)部的彈性波傳播，作者提取了完整的動(dòng)態(tài)彈性張量，表征了機(jī)械波傳播、阻尼特性并量化了缺陷的存在。此外還揭示了粘彈性材料特性與三維結(jié)構(gòu)之間的相互作用，展示了與方向和結(jié)構(gòu)相關(guān)的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼特性。這一框架為高通量發(fā)現(xiàn)新型納米結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)材料、高級(jí)微尺度設(shè)備的即時(shí)缺陷識(shí)別以及用于醫(yī)療超聲設(shè)備的微觀聲學(xué)超材料設(shè)計(jì)鋪平了道路。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
