Ný umsókn um leysitækni: efla rannsóknir á metaefnum

Metaefni, þó þau séu gerð úr hversdagsfjölliðum, keramik og málmum, hafa óvenjulega eiginleika vegna flókinnar og flókinnar nákvæmni örbyggingar.
Með hjálp tölvuhermuna geta verkfræðingar sameinað hvaða fjölda örbygginga sem er og fylgst með því hvernig tiltekin efni umbreytast, til dæmis til að sjá hvernig hægt er að umbreyta tilteknum efnum í hljóðfókusar hljóðlinsur eða léttar skotheldar himnur.
En uppgerð hönnun getur aðeins gengið svo langt. Líkamleg prófun á metaefnum er nauðsynleg til að ákvarða hvort þau ná tilætluðum árangri. En það hefur ekki verið nein áreiðanleg leið til að ýta og toga á metaefni á smásæjum mælikvarða og sjá hvernig þau munu bregðast við án þess að snerta og líkamlega skemmda á metaefni uppbyggingu í ferlinu.
Til að leysa þetta vandamál hafa MIT vísindamenn þróað tækni til að rannsaka metaefni með því að nota tveggja geisla leysikerfi - einn leysigeisli lýsir hratt upp bygginguna og hinn leysigeislinn mælir hvernig mannvirkið bregst við titringi, líkt og að slá bjöllu með hammer og skráir enduróm hans. Öfugt við mallet, hafa leysir enga líkamlega snertingu. Samt skapa þeir titring í örsmáum bjálkum og stöfum efnisefnisins, rétt eins og ef byggingin hefði verið líkamlega slegin, teygð eða klippt.
Mynd Þessi sjónræna smásjá sýnir fjölda smásæra metaefnissýna á endurkastandi undirlagi.
Verkfræðingar geta síðan notað titringinn sem myndast til að reikna út ýmsa kraftmikla eiginleika efnisins, svo sem hvernig það bregst við höggum og hvernig það gleypir eða dreifir hljóði. Með því að nota ofurhraða leysirpúlsa geta þeir æst og mælt hundruð örbygginga á nokkrum mínútum. Þessi tækni veitir, í fyrsta skipti, örugga, áreiðanlega og afkastamikla aðferð til að einkenna örskala metaefni á kraftmikinn hátt.
"Með þessari nálgun getum við flýtt fyrir uppgötvun bestu efnanna miðað við æskilega eiginleika." Prófessor Carlos Portela, fræðimaður við vélaverkfræðideild MIT, sagði. Rannsóknarteymið kallar þessa aðferð LIRAS (Laser Induced Resonance Acoustic Spectroscopy).
Portela notaði meta-efni úr algengum fjölliðum, sem hann þrívíddarprentaði í pínulitla vinnupalla-líka turna úr smásæjum stífum og litlum geislum. Hver turn er mynstraður með því að endurtaka og setja saman einstakar rúmfræðilegar einingar, eins og átthyrndar uppsetningu tengigeisla. Þegar staflað er frá enda til enda getur turnskipan veitt allri fjölliðunni eiginleika sem hún hefði annars ekki.
En verkfræðingar eru mjög takmarkaðir í valmöguleikum sínum til að prófa og sannreyna þessa metaefniseiginleika. Nanóinndráttur er aðal leiðin til að rannsaka slíkar örbyggingar, þó á mjög varkáran og stjórnaðan hátt. Aðferðin notar míkronstærð þjórfé til að ýta hægt niður á burðarvirkið á meðan hún mælir örsmáar tilfærslur og krafta þegar burðarvirkið þjappast saman.
En þessi tækni er aðeins hægt að framkvæma mjög fljótt og getur skemmt mannvirkið," segir Portela. Við vildum finna leið til að mæla kraftmikla hegðun þessara mannvirkja í fyrstu viðbrögðum við sterku höggi án þess að eyðileggja þau."
Teymið kom með laser ómskoðun - óeyðandi aðferð sem notar stutta leysipúlsa sem eru stilltir á úthljóðstíðni til að örva mjög þunn efni (eins og gullfilmur) án snertingar. Laser örvun framleiðir ómskoðunarbylgjur á margvíslegu tíðnisviði sem geta valdið því að filman titrar á ákveðinni tíðni, sem vísindamenn geta notað til að ákvarða nákvæma þykkt filmunnar með nanómetra nákvæmni. Einnig er hægt að nota tæknina til að ákvarða hvort filma hafi galla.
Teymið áttaði sig á því að ultrasonic leysir gætu einnig örugglega örvað 3D metamaterial turna sína til að titra; þessir turnar, sem eru á hæð frá 50 míkrómetrum til 200 míkrómetrar, líkjast þunnum filmum á smásæjum mælikvarða.
Til að prófa þessa hugmynd byggðu rannsakendur borðplötutæki sem samanstendur af tveimur úthljóðsleysistækjum - „púls“ leysir til að örva metaefnissýnin og „nema“ leysir til að mæla titringinn sem myndast. „Nanna“ leysir til að mæla titringinn sem myndast.
Rannsakendur prentuðu síðan hundruð smásjárra turna, hver með ákveðinni hæð og uppbyggingu, á flís sem var minni en fingurnögl. Þeir settu þessa smásæju uppbyggingu metaefnis í tvær leysieiningar og æstu síðan turnana með endurteknum ultrastuttum púlsum. Annar leysirinn mældi síðan titring hvers turns. Þaðan safnaði teymið gögnum og leitaði að mynstrum í titringnum.
Mynd 3D prentaður turn. Vísindamenn MIT notuðu leysir til að skanna á öruggan hátt örturnar úr metaefni, sem kveiktu á titringnum, sem síðan voru fangaðir með öðrum leysir og greindir til að álykta um kraftmikla eiginleika mannvirkisins, svo sem stífleika sem svar við höggum.
Við spenntum öll þessi mannvirki með leysinum eins og við værum að lemja þau með hamri," sagði Portela. Við náðum sveiflum hundruða turna, sem sveifluðust á örlítið mismunandi hátt. Út frá þessu getum við greint þessar sveiflur og dregið út kraftmikla eiginleika hvers mannvirkis, svo sem stífleika þeirra við högg og hraða sem ómhljóðsbylgjur dreifast í gegnum þær."
Rannsakendur notuðu sömu tækni til að skanna mastrana fyrir göllum. Þeir þrívíddarprentuðu nokkra gallalausa turna og prentuðu síðan sömu mannvirkin með mismiklum göllum, eins og vantar stífur og geisla (sem eru jafnvel minni en rauð blóðkorn).
Portela segir: "Þar sem hver turn er með titringsáskrift, komumst við að því að því fleiri galla sem við setjum í sama skipulag, því meira breytist þessi undirskrift. Ef þú finnur uppbyggingu með aðeins öðruvísi undirskrift, þá veistu að það er ekki fullkomið."
Vísindamenn gætu auðveldlega endurskapað leysibúnaðinn í eigin rannsóknarstofu, sagði hann. Uppgötvun hagnýtra, raunverulegra efnaefna yrði þá hraðað. Í tilfelli Portela hefur hann brennandi áhuga á því að búa til og prófa metaefni til að fókusa ómskoðunarbylgjur, til dæmis til að auka næmni ómskoðana. Hann er einnig að kanna höggþolin metaefni, til dæmis til að hanna fóðringafyrirkomulag inni í reiðhjólahjálma.
Að einkenna kraftmikla hegðun metaefna í gegnum þessar rannsóknir mun hjálpa til við að kanna öfgar metaefnis, sögðu vísindamennirnir. Rannsóknin var birt í tímaritinu Nature.