Nova aplicació de la tecnologia làser: impulsar la investigació sobre metamaterials

Els metamaterials, tot i que estan fets de polímers, ceràmiques i metalls quotidians, tenen propietats extraordinàries a causa de les seves microestructures de precisió intricades i complexes.
Amb l'ajuda de simulacions per ordinador, els enginyers poden combinar qualsevol nombre de microestructures i observar com es transformen determinats materials, per exemple, per veure com determinats materials es poden transformar en lents acústiques que enfocan el so o membranes antibales lleugeres.
Però el disseny de simulació només pot arribar tan lluny. Les proves físiques dels metamaterials són necessàries per determinar si aconseguiran els resultats desitjats. Però no hi ha hagut una manera fiable d'empènyer i tirar dels metamaterials a escala microscòpica i veure com reaccionaran sense tocar i danyar físicament l'estructura del metamaterial en el procés.
Per resoldre aquest problema, els investigadors del MIT han desenvolupat una tècnica per sondejar metamaterials utilitzant un sistema làser de dos feixos: un feix làser il·lumina ràpidament l'estructura i l'altre raig làser mesura la manera com l'estructura respon a les vibracions, com colpejar una campana amb un mall i enregistrant la seva reverberació. A diferència d'un mall, els làsers no fan contacte físic. No obstant això, creen vibracions en les petites bigues i puntals del metamaterial, com si l'estructura hagués estat colpejada, estirada o tallada físicament.
Imatge Aquesta micrografia òptica mostra una sèrie de mostres de metamaterial microscòpiques sobre un substrat reflectant.
Els enginyers poden utilitzar les vibracions resultants per calcular una varietat de propietats dinàmiques del material, com ara com respon als impactes i com absorbeix o dispersa el so. Utilitzant polsos làser ultra ràpids, poden excitar i mesurar centenars de microestructures en qüestió de minuts. Aquesta tècnica proporciona, per primera vegada, un mètode segur, fiable i d'alt rendiment per caracteritzar dinàmicament metamaterials a microescala.
"Amb aquest enfocament, podem accelerar el descobriment dels millors materials en funció de les propietats desitjades". Va dir el professor Carlos Portela, investigador de l'Escola d'Enginyeria Mecànica del MIT. L'equip de recerca anomena aquest mètode LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela va utilitzar metamaterials fets amb polímers comuns, que va imprimir en 3D en petites torres semblants a bastides fetes de puntals microscòpics i bigues en miniatura. Cada torre es modela repetint i superposant unitats geomètriques individuals, com ara una configuració octogonal de bigues de connexió. Quan s'apilen d'extrem a extrem, la disposició de la torre pot impartir propietats a tot el polímer que d'una altra manera no tindria.
Però els enginyers estan molt limitats en les seves opcions per provar i verificar físicament aquestes propietats del metamaterial. La nanoindentació és la forma per excel·lència de sondar aquestes microestructures, encara que d'una manera molt acurada i controlada. El mètode utilitza una punta de mida de micres per empènyer lentament l'estructura mentre es mesuren els petits desplaçaments i forces a mesura que l'estructura es comprimeix.
Però aquesta tècnica només es pot dur a terme molt ràpidament i pot danyar l'estructura", diu Portela. Hem volgut trobar una manera de mesurar el comportament dinàmic d'aquestes estructures en la resposta inicial a un fort impacte sense destruir-les".
L'equip va idear ultrasons làser: un mètode no destructiu que utilitza polsos làser curts ajustats a freqüències ultrasòniques per excitar materials molt prims (com ara pel·lícules d'or) sense contacte. L'excitació làser produeix ones d'ultrasons en un rang de freqüències que poden fer que la pel·lícula vibri a una freqüència determinada, que els científics poden utilitzar per determinar el gruix precís de la pel·lícula amb una precisió nanomètrica. La tècnica també es pot utilitzar per determinar si una pel·lícula té defectes.
L'equip es va adonar que els làsers ultrasònics també podrien induir de manera segura les seves torres de metamaterials 3D a vibrar; aquestes torres, que oscil·len entre els 50 i els 200 micròmetres d'alçada, són semblants a pel·lícules primes a escala microscòpica.
Per provar aquesta idea, els investigadors van construir un dispositiu de sobretaula format per dos làsers ultrasònics: un làser de "pols" per excitar la mostra de metamaterial i un làser de "sonda" per mesurar les vibracions resultants. Una "sonda" làser per mesurar les vibracions resultants.
Després, els investigadors van imprimir centenars de torres microscòpiques, cadascuna amb una alçada i una estructura específiques, en un xip més petit que una ungla. Van col·locar aquesta estructura microscòpica de metamaterials en dues unitats làser i després van excitar les torres amb polsos ultracurts repetits. A continuació, el segon làser va mesurar les vibracions de cada torre. A partir d'aquí, l'equip va recopilar dades i va buscar patrons en les vibracions.
Imatge de la torre impresa en 3D. Els investigadors del MIT van utilitzar un làser per escanejar amb seguretat les microtorres de metamaterial, que van activar les vibracions, que després van ser capturades amb un segon làser i analitzades per inferir les propietats dinàmiques de l'estructura, com ara la rigidesa en resposta als cops.
Vam excitar totes aquestes estructures amb el làser com si les estiguéssim colpejant amb un martell", va dir Portela. Hem capturat les oscil·lacions de centenars de torres, que oscil·laven de maneres lleugerament diferents. A partir d'això podem analitzar aquestes oscil·lacions i extreure'n les propietats dinàmiques. de cada estructura, com ara la seva rigidesa a l'impacte i la velocitat amb què les ones ultrasòniques es propaguen a través d'elles".
Els investigadors van utilitzar la mateixa tècnica per escanejar les pilones per detectar defectes. Van imprimir en 3D diverses torres sense defectes i després van imprimir les mateixes estructures amb diferents graus de defectes, com ara puntals i bigues que falten (que són fins i tot més petits que els glòbuls vermells).
Portela diu: "Com que cada torre té una signatura vibratòria, hem trobat que com més defectes posem a la mateixa estructura, més canvia aquesta signatura. Si detectes una estructura amb una signatura lleugerament diferent, saps que no és perfecta".
Els científics podrien recrear fàcilment el dispositiu làser als seus propis laboratoris, va dir. Aleshores s'acceleraria el descobriment de metamaterials pràctics i del món real. En el cas de Portela, li apassiona la creació i prova de metamaterials per enfocar ones ultrasòniques, per exemple per augmentar la sensibilitat de les sondes d'ultrasons. També està explorant metamaterials resistents als impactes, per exemple per al disseny de disposicions de revestiment dins dels cascs de bicicleta.
Segons els investigadors, caracteritzar el comportament dinàmic dels metamaterials a través d'aquesta investigació ajudarà a explorar els extrems dels metamaterials. L'estudi es va publicar a la revista Nature.