但是工程師在物理測試和驗(yàn)證這些超材料性能方面的選擇非常有限。納米壓痕是探測這種微觀結(jié)構(gòu)的典型方式，盡管是以非常慎重和可控的方式進(jìn)行的。該方法采用微米級尖端緩慢向下推壓結(jié)構(gòu)，同時測量結(jié)構(gòu)在壓縮時的微小位移和作用力。

波特爾拉指出：“但這種技術(shù)只能達(dá)到如此之快，同時也會破壞結(jié)構(gòu)。我們想找到一種方法來測量這些結(jié)構(gòu)如何動態(tài)地表現(xiàn)，例如在受到強(qiáng)烈沖擊的初始反應(yīng)中，但不會破壞它們。”

超材料的世界

該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向激光超聲波——一種非破壞性方法，使用調(diào)諧到超聲頻率的短激光脈沖，在不接觸的情況下激發(fā)非常薄的材料，如金膜。激光激發(fā)產(chǎn)生的超聲波在一定范圍內(nèi)，可以使薄膜以一定頻率振動，然后科學(xué)家們可以利用該頻率確定薄膜的精確厚度，達(dá)到納米精度。該技術(shù)還可以用于確定薄膜是否存在任何缺陷。

波特爾拉和他的同事意識到，超聲波激光器也可能安全地誘導(dǎo)他們的3D超材料塔振動；塔的高度從50到200微米不等，大約是人類頭發(fā)直徑的兩倍，與薄膜的微觀尺度相似。

為了驗(yàn)證這一想法，Yun Kai加入了Portela的團(tuán)隊(duì)，他擁有激光光學(xué)方面的專業(yè)知識，他建立了一個由兩個超聲波激光器組成的桌面裝置——一個“脈沖”激光器用于激發(fā)超材料樣品，一個“探測”激光器用于測量產(chǎn)生的振動。

在一個指甲蓋大小的芯片上，團(tuán)隊(duì)打印了數(shù)百個微型塔，每個塔都有特定的高度和結(jié)構(gòu)。他們將這個微型超材料城市放置在雙激光裝置中，然后用重復(fù)的超短脈沖激發(fā)塔。第二臺激光器測量了每個塔的振動。然后，團(tuán)隊(duì)收集數(shù)據(jù)，尋找振動模式。

Portela說：“我們用激光激發(fā)所有這些結(jié)構(gòu)，就像用錘子擊打它們一樣。然后我們捕捉到數(shù)百個塔的所有擺動，它們都以略微不同的方式擺動。然后我們可以分析這些擺動，提取每個結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，例如它們對沖擊的剛度，以及超聲波通過它們的速度�！�

該團(tuán)隊(duì)使用相同的技術(shù)掃描塔樓缺陷。他們打印了幾個無缺陷的塔樓，然后打印了相同的建筑，但有不同程度的缺陷，如缺少支柱和橫梁，每個都小于一個紅細(xì)胞的尺寸。

波爾特拉解釋說：“由于每個塔樓都有振動特征，我們發(fā)現(xiàn)，我們在同一結(jié)構(gòu)中放置的缺陷越多，這種特征的轉(zhuǎn)變就越大。你可以想象掃描一條結(jié)構(gòu)裝配線。如果你發(fā)現(xiàn)一個具有略微不同特征的結(jié)構(gòu)，你就知道它并不完美�！�

他說，科學(xué)家們可以在自己的實(shí)驗(yàn)室里輕松地重新創(chuàng)建激光裝置。然后，波爾特拉預(yù)測，實(shí)用、真實(shí)的超材料將會被發(fā)現(xiàn)。就他而言，波爾特拉熱衷于制造和測試聚焦超聲波的超材料，例如提高超聲波探頭的靈敏度。他還探索了抗沖擊超材料，例如用于自行車頭盔的內(nèi)襯。

Kai說：“我們知道制造材料來減輕沖擊和影響有多重要�，F(xiàn)在，通過我們的研究，我們第一次能夠表征超材料的動態(tài)行為，并對其進(jìn)行極限探索�！�

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