Neue Anwendung der Lasertechnologie: Förderung der Forschung zu Metamaterialien

Obwohl Metamaterialien aus alltäglichen Polymeren, Keramiken und Metallen hergestellt werden, verfügen sie aufgrund ihrer komplizierten und komplexen Präzisionsmikrostrukturen über außergewöhnliche Eigenschaften.
Mithilfe von Computersimulationen können Ingenieure beliebig viele Mikrostrukturen kombinieren und beobachten, wie sich bestimmte Materialien verwandeln, um beispielsweise zu sehen, wie sich bestimmte Materialien in schallfokussierende akustische Linsen oder leichte kugelsichere Membranen verwandeln lassen.
Aber Simulationsdesign kann nur bis zu einem gewissen Punkt gehen. Es ist eine physikalische Prüfung von Metamaterialien erforderlich, um festzustellen, ob sie die gewünschten Ergebnisse erzielen. Es gab jedoch keine zuverlässige Möglichkeit, Metamaterialien im mikroskopischen Maßstab zu verschieben und zu ziehen und zu sehen, wie sie reagieren, ohne dabei die Metamaterialstruktur zu berühren und physisch zu beschädigen.
Um dieses Problem zu lösen, haben MIT-Forscher eine Technik zur Untersuchung von Metamaterialien mithilfe eines Zweistrahl-Lasersystems entwickelt: Ein Laserstrahl beleuchtet schnell die Struktur, und der andere Laserstrahl misst die Art und Weise, wie die Struktur auf Vibrationen reagiert, ähnlich wie das Schlagen einer Glocke einen Hammer und zeichnet seinen Nachhall auf. Im Gegensatz zu einem Hammer kommt es beim Laser zu keinem physischen Kontakt. Dennoch erzeugen sie Schwingungen in den winzigen Balken und Streben des Metamaterials, als ob die Struktur physisch geschlagen, gedehnt oder geschert worden wäre.
Bild Diese optische Mikroaufnahme zeigt eine Reihe mikroskopischer Metamaterialproben auf einem reflektierenden Substrat.
Aus den resultierenden Schwingungen können Ingenieure dann verschiedene dynamische Eigenschaften des Materials berechnen, etwa wie es auf Stöße reagiert und wie es Schall absorbiert oder streut. Mit ultraschnellen Laserpulsen können sie innerhalb weniger Minuten Hunderte von Mikrostrukturen anregen und vermessen. Diese Technik bietet erstmals eine sichere, zuverlässige Hochdurchsatzmethode zur dynamischen Charakterisierung mikroskaliger Metamaterialien.
„Mit diesem Ansatz können wir die Entdeckung der besten Materialien basierend auf den gewünschten Eigenschaften beschleunigen.“ sagte Professor Carlos Portela, ein Forscher an der School of Mechanical Engineering des MIT. Das Forschungsteam nennt diese Methode LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela verwendete Metamaterialien aus gewöhnlichen Polymeren, die er in 3D zu winzigen gerüstartigen Türmen aus mikroskopisch kleinen Streben und Miniaturbalken druckte. Jeder Turm ist durch die Wiederholung und Schichtung einzelner geometrischer Einheiten strukturiert, beispielsweise durch eine achteckige Konfiguration von Verbindungsbalken. Wenn die Turmanordnung Ende an Ende gestapelt wird, kann sie dem gesamten Polymer Eigenschaften verleihen, die es sonst nicht hätte.
Allerdings sind die Möglichkeiten der Ingenieure, diese Metamaterialeigenschaften physikalisch zu testen und zu verifizieren, stark eingeschränkt. Die Nanoindentation ist die grundlegende Methode zur Untersuchung solcher Mikrostrukturen, wenn auch auf sehr sorgfältige und kontrollierte Weise. Bei der Methode wird eine mikrometergroße Spitze verwendet, die langsam auf die Struktur drückt und dabei die winzigen Verschiebungen und Kräfte misst, die beim Komprimieren der Struktur entstehen.
„Diese Technik ist aber nur sehr schnell durchführbar und kann die Struktur beschädigen“, sagt Portela. Wir wollten einen Weg finden, das dynamische Verhalten dieser Strukturen in der ersten Reaktion auf einen starken Aufprall zu messen, ohne sie zu zerstören.“
Das Team entwickelte Laserultraschall – eine zerstörungsfreie Methode, bei der kurze, auf Ultraschallfrequenzen abgestimmte Laserimpulse verwendet werden, um sehr dünne Materialien (z. B. Goldfilme) berührungslos anzuregen. Die Laseranregung erzeugt Ultraschallwellen über einen Frequenzbereich, die den Film in einer bestimmten Frequenz zum Schwingen bringen können, mit deren Hilfe Wissenschaftler die genaue Dicke des Films mit Nanometergenauigkeit bestimmen können. Mit der Technik lässt sich auch feststellen, ob eine Folie Mängel aufweist.
Das Team erkannte, dass Ultraschalllaser ihre 3D-Metamaterialtürme auch sicher zum Vibrieren bringen könnten; Diese Türme, deren Höhe zwischen 50 Mikrometern und 200 Mikrometern liegt, ähneln dünnen Filmen im mikroskopischen Maßstab.
Um diese Idee zu testen, bauten die Forscher ein Tischgerät, das aus zwei Ultraschalllasern bestand – einem „Puls“-Laser zur Anregung der Metamaterialprobe und einem „Sonden“-Laser zur Messung der resultierenden Schwingungen. Ein „Sonden“-Laser zur Messung der entstehenden Schwingungen.
Anschließend druckten die Forscher Hunderte mikroskopisch kleiner Türme, jeder mit einer bestimmten Höhe und Struktur, auf einen Chip, der kleiner als ein Fingernagel war. Sie platzierten diese mikroskopische Struktur aus Metamaterialien in zwei Lasereinheiten und regten die Türme dann mit wiederholten ultrakurzen Pulsen an. Der zweite Laser maß dann die Vibrationen jedes Turms. Von dort aus sammelte das Team Daten und suchte nach Mustern in den Vibrationen.
Bild 3D-gedruckter Turm. Die MIT-Forscher verwendeten einen Laser, um die Metamaterial-Mikrotürme sicher zu scannen, was die Vibrationen auslöste, die dann mit einem zweiten Laser erfasst und analysiert wurden, um auf die dynamischen Eigenschaften der Struktur, wie etwa die Steifigkeit als Reaktion auf Stöße, zu schließen.
„Wir haben all diese Strukturen mit dem Laser angeregt, als würden wir sie mit einem Hammer schlagen“, sagte Portela. Wir haben die Schwingungen von Hunderten von Türmen erfasst, die auf leicht unterschiedliche Weise schwingten. Daraus können wir diese Schwingungen analysieren und die dynamischen Eigenschaften extrahieren jeder Struktur, wie etwa ihre Steifigkeit gegenüber Stößen und die Geschwindigkeit, mit der sich die Ultraschallwellen durch sie ausbreiten.“
Mit der gleichen Technik scannten die Forscher die Masten auf Mängel. Sie druckten mehrere fehlerfreie Türme in 3D und druckten dann dieselben Strukturen mit unterschiedlichen Fehlergraden, wie z. B. fehlenden Streben und Balken (die sogar kleiner als rote Blutkörperchen sind).
Portela sagt: „Da jeder Turm eine Schwingungssignatur hat, haben wir festgestellt, dass sich diese Signatur umso mehr ändert, je mehr Defekte wir in dieselbe Struktur einbringen. Wenn Sie eine Struktur mit einer leicht unterschiedlichen Signatur entdecken, wissen Sie, dass sie nicht perfekt ist.“
Wissenschaftler könnten das Lasergerät problemlos in ihren eigenen Labors nachbauen, sagte er. Die Entdeckung praktischer, realer Metamaterialien würde dann beschleunigt. Im Fall von Portela ist es seine Leidenschaft, Metamaterialien zur Fokussierung von Ultraschallwellen zu entwickeln und zu testen, um beispielsweise die Empfindlichkeit von Ultraschallsonden zu erhöhen. Außerdem erforscht er schlagfeste Metamaterialien, beispielsweise für die Gestaltung von Liner-Anordnungen in Fahrradhelmen.
Die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von Metamaterialien durch diese Forschung werde dazu beitragen, die Extreme von Metamaterialien zu erforschen, sagten die Forscher. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.