การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์แบบใหม่: การส่งเสริมการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ Metamaterial

วัสดุเมตาแมททีเรียลแม้จะทำจากโพลีเมอร์ เซรามิก และโลหะในชีวิตประจำวัน แต่ก็มีคุณสมบัติพิเศษเนื่องจากมีโครงสร้างจุลภาคที่มีความแม่นยำซับซ้อนและซับซ้อน
ด้วยความช่วยเหลือของการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ วิศวกรสามารถรวมโครงสร้างจุลภาคจำนวนเท่าใดก็ได้ และสังเกตการเปลี่ยนแปลงของวัสดุบางชนิด เช่น เพื่อดูว่าวัสดุบางชนิดสามารถเปลี่ยนเป็นเลนส์อะคูสติกที่เน้นเสียงหรือเมมเบรนกันกระสุนน้ำหนักเบาได้อย่างไร
แต่การออกแบบการจำลองสามารถทำได้เพียงเท่านี้ การทดสอบทางกายภาพของวัสดุเมตาเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อพิจารณาว่าจะได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการหรือไม่ แต่ไม่มีวิธีที่เชื่อถือได้ในการผลักและดึงวัสดุ metamaterial ในระดับจุลภาคและดูว่าวัสดุจะตอบสนองอย่างไรโดยไม่ต้องสัมผัสและสร้างความเสียหายทางกายภาพต่อโครงสร้าง metamaterial ในกระบวนการ
เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยของ MIT ได้พัฒนาเทคนิคในการตรวจสอบ metamaterials โดยใช้ระบบเลเซอร์แบบสองลำแสง ลำแสงเลเซอร์ตัวหนึ่งจะส่องสว่างโครงสร้างอย่างรวดเร็ว และลำแสงเลเซอร์อีกตัวจะวัดวิธีที่โครงสร้างตอบสนองต่อการสั่นสะเทือน เหมือนกับการตีระฆังด้วย ค้อนและบันทึกเสียงสะท้อนของมัน เลเซอร์ไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ ซึ่งตรงกันข้ามกับค้อนไม้ แต่พวกมันก็สร้างแรงสั่นสะเทือนในคานและเสาเล็กๆ ของวัสดุเมตา เหมือนกับว่าโครงสร้างนั้นถูกกระแทก ยืดหรือเฉือน
Image ภาพไมโครกราฟแบบแสงนี้แสดงอาร์เรย์ของตัวอย่างวัสดุ metamaterial ด้วยกล้องจุลทรรศน์บนพื้นผิวสะท้อนแสง
วิศวกรสามารถใช้การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นเพื่อคำนวณคุณสมบัติไดนามิกต่างๆ ของวัสดุ เช่น วิธีตอบสนองต่อแรงกระแทก และวิธีดูดซับหรือกระจายเสียง การใช้พัลส์เลเซอร์ที่เร็วมากสามารถกระตุ้นและวัดโครงสร้างจุลภาคได้หลายร้อยชิ้นในเวลาไม่กี่นาที เทคนิคนี้ให้วิธีการที่ปลอดภัย เชื่อถือได้ และมีปริมาณงานสูงเป็นครั้งแรกสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุระดับไมโครแบบไดนามิก
"ด้วยแนวทางนี้ เราสามารถเร่งการค้นพบวัสดุที่ดีที่สุดตามคุณสมบัติที่ต้องการได้" ศาสตราจารย์คาร์ลอส ปอร์เตลา นักวิจัยจากคณะวิศวกรรมเครื่องกลของเอ็มไอทีกล่าว ทีมวิจัยเรียกวิธีนี้ว่า LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy)
Portela ใช้วัสดุเมตาแมททีเรียลที่ทำจากโพลีเมอร์ทั่วไป ซึ่งเขาพิมพ์แบบ 3 มิติลงในหอคอยเล็กๆ ที่มีลักษณะคล้ายนั่งร้าน ที่ทำจากเสาขนาดเล็กจิ๋วและคานขนาดเล็ก อาคารแต่ละหลังมีลวดลายโดยการทำซ้ำและวางหน่วยเรขาคณิตแต่ละชั้น เช่น โครงสร้างคานเชื่อมต่อแปดเหลี่ยม เมื่อวางซ้อนกันตั้งแต่ต้นจนจบ การจัดเรียงทาวเวอร์สามารถให้คุณสมบัติแก่โพลีเมอร์ทั้งหมดอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน
แต่วิศวกรมีข้อจำกัดอย่างมากในตัวเลือกสำหรับการทดสอบทางกายภาพและการตรวจสอบคุณสมบัติของวัสดุ metamaterial เหล่านี้ การเยื้องระดับนาโนเป็นวิธีการที่สำคัญในการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคดังกล่าว แม้ว่าจะระมัดระวังและมีการควบคุมอย่างมากก็ตาม วิธีการนี้ใช้ปลายขนาดไมครอนเพื่อค่อยๆ กดลงบนโครงสร้าง ขณะเดียวกันก็วัดการกระจัดและแรงเล็กๆ ขณะที่โครงสร้างถูกบีบอัด
แต่เทคนิคนี้สามารถทำได้อย่างรวดเร็วเท่านั้นและอาจสร้างความเสียหายให้กับโครงสร้างได้” ปอร์เทลากล่าว เราต้องการหาวิธีวัดพฤติกรรมแบบไดนามิกของโครงสร้างเหล่านี้ในการตอบสนองเบื้องต้นต่อผลกระทบที่รุนแรงโดยไม่ทำลายพวกมัน”
ทีมงานได้คิดค้นอัลตราซาวนด์ด้วยเลเซอร์ ซึ่งเป็นวิธีการแบบไม่ทำลายซึ่งใช้พัลส์เลเซอร์สั้น ๆ ที่ปรับให้เป็นความถี่อัลตราโซนิกเพื่อกระตุ้นวัสดุที่บางมาก (เช่น ฟิล์มทอง) โดยไม่ต้องสัมผัสกัน การกระตุ้นด้วยเลเซอร์จะสร้างคลื่นอัลตราซาวนด์ในช่วงความถี่ที่อาจทำให้ฟิล์มสั่นสะเทือนที่ความถี่หนึ่ง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เพื่อกำหนดความหนาที่แม่นยำของฟิล์มด้วยความแม่นยำในระดับนาโนเมตร เทคนิคนี้ยังสามารถใช้เพื่อระบุได้ว่าฟิล์มมีข้อบกพร่องหรือไม่
ทีมงานตระหนักดีว่าเลเซอร์อัลตราโซนิกสามารถกระตุ้นให้หอคอย metamaterial 3 มิติสั่นสะเทือนได้อย่างปลอดภัย หอคอยเหล่านี้ซึ่งมีความสูงตั้งแต่ 50 ไมโครเมตรถึง 200 ไมโครเมตร มีลักษณะคล้ายกับฟิล์มบางในระดับจุลทรรศน์
เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ นักวิจัยได้สร้างอุปกรณ์บนโต๊ะที่ประกอบด้วยเลเซอร์อัลตราโซนิก 2 อัน ได้แก่ เลเซอร์ "พัลส์" เพื่อกระตุ้นตัวอย่างวัสดุ metamaterial และเลเซอร์ "โพรบ" เพื่อวัดการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น เลเซอร์ "โพรบ" เพื่อวัดการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น
จากนั้นนักวิจัยได้พิมพ์หอคอยด้วยกล้องจุลทรรศน์จำนวนหลายร้อยหอ แต่ละหอมีความสูงและโครงสร้างเฉพาะ บนชิปที่มีขนาดเล็กกว่าเล็บมือ พวกเขาวางโครงสร้างจุลทรรศน์ของวัสดุ metamaterials ไว้ในหน่วยเลเซอร์สองชุดแล้วตื่นเต้นกับหอคอยด้วยพัลส์ที่สั้นเกินขีดซ้ำ ๆ จากนั้นเลเซอร์ตัวที่สองจะวัดการสั่นสะเทือนของแต่ละหอคอย จากนั้น ทีมงานจึงรวบรวมข้อมูลและมองหารูปแบบของการสั่นสะเทือน
รูปภาพ หอคอยที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ นักวิจัยของ MIT ใช้เลเซอร์ในการสแกนไมโครทาวเวอร์เมตาวัสดุอย่างปลอดภัย ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการสั่นสะเทือน จากนั้นจึงจับด้วยเลเซอร์ตัวที่สอง และวิเคราะห์เพื่ออนุมานคุณสมบัติไดนามิกของโครงสร้าง เช่น ความแข็งในการตอบสนองต่อแรงกระแทก
เราตื่นเต้นกับโครงสร้างทั้งหมดนี้ด้วยเลเซอร์ราวกับว่าเรากำลังทุบมันด้วยค้อน” ปอร์เทลากล่าว เราบันทึกการสั่นของหอคอยหลายร้อยหลังซึ่งสั่นในลักษณะที่แตกต่างกันเล็กน้อย จากนี้เราสามารถวิเคราะห์การสั่นเหล่านี้และดึงคุณสมบัติไดนามิกออกมา ของแต่ละโครงสร้าง เช่น ความแข็งในการกระแทก และความเร็วที่คลื่นอัลตราซาวนด์แพร่กระจายผ่านสิ่งเหล่านั้น"
นักวิจัยใช้เทคนิคเดียวกันในการสแกนเสาเพื่อหาข้อบกพร่อง พวกเขาใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติในการพิมพ์อาคารที่ไม่มีข้อบกพร่องหลายแห่ง จากนั้นจึงพิมพ์โครงสร้างเดียวกันโดยมีระดับข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน เช่น เสาและคานที่หายไป (ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าเซลล์เม็ดเลือดแดงด้วยซ้ำ)
ปอร์เทลากล่าวว่า "เนื่องจากแต่ละหอคอยมีลายเซ็นแบบสั่น เราพบว่ายิ่งเราใส่ข้อบกพร่องลงในโครงสร้างเดียวกันมากเท่าใด ลักษณะเฉพาะก็จะเปลี่ยนแปลงมากขึ้นเท่านั้น หากคุณตรวจพบโครงสร้างที่มีลายเซ็นแตกต่างกันเล็กน้อย คุณจะรู้ว่ามันไม่สมบูรณ์แบบ"
นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างอุปกรณ์เลเซอร์ขึ้นมาใหม่ในห้องทดลองของตนเองได้อย่างง่ายดาย เขากล่าว การค้นพบ metamaterials ในโลกแห่งความเป็นจริงจะถูกเร่งให้เร็วขึ้น ในกรณีของ Portela เขาหลงใหลในการสร้างและทดสอบวัสดุเมตาสำหรับการเน้นคลื่นอัลตราซาวนด์ เช่น เพื่อเพิ่มความไวของโพรบอัลตราซาวนด์ นอกจากนี้ เขายังสำรวจวัสดุ metamaterial ที่ทนต่อแรงกระแทก เช่น การออกแบบการจัดเรียงซับในหมวกกันน็อคจักรยาน
นักวิจัยกล่าวว่าการระบุลักษณะพฤติกรรมแบบไดนามิกของวัสดุ metamaterial ผ่านการวิจัยนี้จะช่วยสำรวจความสุดขั้วของวัสดุ metamaterials การศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature