Penerapan Baru Teknologi Laser: Meningkatkan Penelitian Metamaterial

Metamaterial, meskipun terbuat dari polimer, keramik, dan logam sehari-hari, memiliki sifat luar biasa karena struktur mikro presisi yang rumit dan kompleks.
Dengan bantuan simulasi komputer, para insinyur dapat menggabungkan sejumlah struktur mikro dan mengamati bagaimana material tertentu bertransformasi, misalnya, untuk melihat bagaimana material tertentu dapat diubah menjadi lensa akustik pemfokusan suara atau membran antipeluru ringan.
Namun desain simulasi hanya bisa berjalan sejauh ini. Pengujian fisik metamaterial diperlukan untuk menentukan apakah metamaterial akan mencapai hasil yang diinginkan. Namun belum ada cara yang dapat diandalkan untuk mendorong dan menarik metamaterial pada skala mikroskopis dan melihat bagaimana mereka akan bereaksi tanpa menyentuh dan secara fisik merusak struktur metamaterial dalam prosesnya.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti MIT telah mengembangkan teknik untuk menyelidiki metamaterial menggunakan sistem laser dua sinar – satu sinar laser dengan cepat menerangi struktur, dan sinar laser lainnya mengukur cara struktur merespons getaran, seperti memukul bel dengan palu dan merekam gaungnya. Berbeda dengan palu, laser tidak melakukan kontak fisik. Namun mereka menciptakan getaran pada balok-balok kecil dan penyangga metamaterial, seolah-olah struktur tersebut telah dipukul, diregangkan, atau dicukur secara fisik.
Gambar Mikrograf optik ini menunjukkan serangkaian sampel metamaterial mikroskopis pada substrat reflektif.
Para insinyur kemudian dapat menggunakan getaran yang dihasilkan untuk menghitung berbagai sifat dinamis material, seperti bagaimana material tersebut merespons benturan dan bagaimana material tersebut menyerap atau menyebarkan suara. Dengan menggunakan pulsa laser ultracepat, mereka dapat merangsang dan mengukur ratusan struktur mikro dalam hitungan menit. Teknik ini, untuk pertama kalinya, menyediakan metode yang aman, andal, dan throughput tinggi untuk mengkarakterisasi metamaterial skala mikro secara dinamis.
“Dengan pendekatan ini, kami dapat mempercepat penemuan material terbaik berdasarkan sifat yang diinginkan.” Profesor Carlos Portela, peneliti di Sekolah Teknik Mesin MIT, mengatakan. Tim peneliti menyebut metode ini LIRAS (Laser Induksi Resonansi Akustik Spektroskopi).
Portela menggunakan metamaterial yang terbuat dari polimer biasa, yang dicetak 3D menjadi menara kecil seperti perancah yang terbuat dari penyangga mikroskopis dan balok mini. Setiap menara dipola dengan mengulang dan melapisi unit geometris individual, seperti konfigurasi balok penghubung segi delapan. Ketika ditumpuk dari ujung ke ujung, susunan menara dapat memberikan sifat pada keseluruhan polimer yang tidak dimiliki jika tidak.
Namun para insinyur sangat terbatas dalam pilihan mereka untuk menguji secara fisik dan memverifikasi sifat metamaterial ini. Nanoindentasi adalah cara klasik untuk menyelidiki struktur mikro tersebut, meskipun dengan cara yang sangat hati-hati dan terkendali. Metode ini menggunakan ujung berukuran mikron untuk menekan struktur secara perlahan sambil mengukur perpindahan dan gaya kecil saat struktur terkompresi.
Namun teknik ini hanya dapat dilakukan dengan sangat cepat dan dapat merusak strukturnya,” kata Portela. Kami ingin menemukan cara untuk mengukur perilaku dinamis struktur ini dalam respons awal terhadap dampak kuat tanpa merusaknya.”
Tim tersebut menemukan laser ultrasound - metode non-destruktif yang menggunakan pulsa laser pendek yang disetel ke frekuensi ultrasonik untuk merangsang material yang sangat tipis (seperti film emas) tanpa kontak. Eksitasi laser menghasilkan gelombang ultrasonik pada rentang frekuensi yang dapat menyebabkan film bergetar pada frekuensi tertentu, yang dapat digunakan para ilmuwan untuk menentukan ketebalan film secara tepat dengan akurasi nanometer. Teknik ini juga dapat digunakan untuk menentukan apakah suatu film mempunyai cacat.
Tim menyadari bahwa laser ultrasonik juga dapat dengan aman menyebabkan menara metamaterial 3D bergetar; menara-menara ini, yang tingginya berkisar antara 50 mikrometer hingga 200 mikrometer, mirip dengan film tipis pada skala mikroskopis.
Untuk menguji ide ini, para peneliti membangun perangkat meja yang terdiri dari dua laser ultrasonik—laser “pulsa” untuk merangsang sampel metamaterial dan laser “probe” untuk mengukur getaran yang dihasilkan. Laser "probe" untuk mengukur getaran yang dihasilkan.
Para peneliti kemudian mencetak ratusan menara mikroskopis, masing-masing dengan tinggi dan struktur tertentu, pada sebuah chip yang lebih kecil dari kuku. Mereka menempatkan struktur mikroskopis metamaterial ini dalam dua unit laser dan kemudian mengeksitasi menara tersebut dengan pulsa ultrashort yang berulang. Laser kedua kemudian mengukur getaran masing-masing menara. Dari sana, tim mengumpulkan data dan mencari pola getaran tersebut.
Menara cetak gambar 3D. Para peneliti MIT menggunakan laser untuk memindai menara mikro metamaterial dengan aman, yang memicu getaran, yang kemudian ditangkap dengan laser kedua dan dianalisis untuk menyimpulkan sifat dinamis struktur, seperti kekakuan sebagai respons terhadap guncangan.
Kami menggairahkan semua struktur ini dengan laser seolah-olah kami sedang memukulnya dengan palu,” kata Portela. Kami menangkap osilasi ratusan menara, yang berosilasi dengan cara yang sedikit berbeda. Dari sini kami dapat menganalisis osilasi ini dan mengekstrak sifat dinamisnya. masing-masing struktur, seperti kekakuannya terhadap benturan dan kecepatan rambat gelombang ultrasonik melalui struktur tersebut."
Para peneliti menggunakan teknik yang sama untuk memindai tiang untuk mencari cacat. Mereka mencetak beberapa menara bebas cacat secara 3D dan kemudian mencetak struktur yang sama dengan tingkat cacat yang berbeda-beda, seperti penyangga dan balok yang hilang (yang bahkan lebih kecil dari sel darah merah).
Portela mengatakan, "Karena setiap menara memiliki tanda getaran, kami menemukan bahwa semakin banyak cacat yang kami masukkan ke dalam struktur yang sama, semakin banyak tanda ini berubah. Jika Anda mendeteksi struktur dengan tanda yang sedikit berbeda, Anda tahu bahwa itu tidak sempurna."
Para ilmuwan dapat dengan mudah membuat ulang perangkat laser di laboratorium mereka sendiri, katanya. Penemuan metamaterial praktis di dunia nyata kemudian akan dipercepat. Dalam kasus Portela, dia bersemangat menciptakan dan menguji metamaterial untuk memfokuskan gelombang ultrasonik, misalnya untuk meningkatkan sensitivitas probe ultrasonik. Ia juga menjajaki metamaterial tahan benturan, misalnya untuk desain susunan liner di dalam helm sepeda.
Mengkarakterisasi perilaku dinamis metamaterial melalui penelitian ini akan membantu mengeksplorasi metamaterial yang ekstrem, kata para peneliti. Studi ini dipublikasikan di jurnal Nature.