Nature：一种基于脉冲激光的技术

微尺度下的机械超材料由于其特殊的构建单元而表现出奇特的静态特性，但其动态特性的研究仍然较少。它们的设计原则可以针对高应变率变形下的频率相关特性和弹性，使其成为适用于轻质抗冲击、声波导或振动阻尼应用的多功能材料。然而，由于低通量和破坏性的表征或缺乏测试方法，获取小尺度下的动态特性仍然是一个挑战。

基于此，麻省理工学院Carlos M. Portela、Thomas Pezeril等人演示了一种高通量、非接触式框架，该框架使用超材料内的MHz波传播特征来非破坏性地提取动态线性特性、全向弹性信息、阻尼特性和缺陷量化。使用微观超材料的棒状镶嵌结构，作者报告了在应变率接近102  s−1时高达 94% 的方向依赖和速率依赖的动态刚度，以及比其组成材料高出三倍阻尼特性。

作者还表明，振动响应中的频移可以表征超材料内的不可见缺陷，选择性探测可以构建实验弹性表面，而这在以前只能通过计算来实现。该工作为加速数据驱动的材料和微器件的发现提供了一种途径，可用于动态应用，如保护结构、医学超声或隔振。

激光诱导弹性波

作者设计了一种基于脉冲激光的技术，利用材料样品表面弹性波的光声激发实现了微尺度超材料的高通量、无损表征。使用双光子光刻系统以细长的纵横比用IP-Dip光刻胶制造了聚合物微晶格，该系统接近激发时棒状一维波传播的极限，促进了超材料机械性能的提取。为了测量扭转模式，实施了横向泵浦-连续波探针方案，通过对整体和超材料几何形状进行数值特征频率分析，进一步确认了模态分类，这为纵向、弯曲和扭转模式提供了定性和定量的一致性。

图1 超材料中弹性波的非接触激光诱导激发和探测

高通量动态机械表征

接着，作者确定了超材料的动态机械特性。作者使用长波长极限内的测量，根据实验色散关系计算出每种波类型的群速度，然后使用纵向群速度来计算每个样本的有效刚度。为了量化对样品响应的动态影响，使用位移控制纳米压痕仪对与通过LIRAS测试的样品相同的样品进行了准静态单轴压缩实验。比较通过这两种技术获得的有效刚度，显示了所有样品的动态刚化效果。

超材料的应变率高达102 s−1，证实了LIRAS测量中观察到的速率依赖性响应。此外，结构和各向异性可以在很宽的超声波频率范围内调节阻尼特性。两种超材料在顺应方向和弯曲主导的结构中表现出比刚性和拉伸主导的响应更高的阻尼能力。

图2 超材料的LIRAS动态测量

图3 超材料的动态弹性和阻尼特性

全向弹性特性

作者利用LIRAS技术的功能为动态条件下的超材料提供完全实验性的弹性张量提取。作者通过三种计算方法，共同预测超材料内的预期各向异性和波传播特性，对LIRAS得出的与测量频率和表观各向异性有关的特性进行了初步验证。在确认波传播响应和沿特定方向产生的动态刚度后，作者结合了从LIRAS测量中提取的所有属性，为超材料生成了实验动态弹性表面。实验动态弹性表面保留了超材料的定性各向异性，[111]和[100]分别保持为八面体和十四面体中最硬的方向，并表现出动态刚度。

图4 波传播验证和全向弹性特性

无损缺陷识别

作者使用LIRAS通过测量微观样品中波传播响应的变化来提供高通量缺陷识别。作者设计并制造了5×5×10八位元超材料，每个垂直镶嵌层具有不同程度的立方固体夹杂物。将夹杂物尺寸与大约10 μm八位组晶胞的尺寸相匹配，制造了每层0到4个缺陷的样品，并测量了它们在激发时的主要共振模式。实验结果表明当每层缺陷数量增加时，谐振频率也增加。缺陷探索表明，共振频移提供了足够的分辨率来确定缺陷密度。

图5 振动缺陷识别

审核编辑：刘清