تطبيق جديد لتكنولوجيا الليزر: تعزيز الأبحاث حول المواد الخارقة

على الرغم من أن المواد الخارقة مصنوعة من البوليمرات والسيراميك والمعادن المستخدمة يوميًا، إلا أنها تتمتع بخصائص استثنائية نظرًا لبنيتها الدقيقة الدقيقة والمعقدة.
وبمساعدة عمليات المحاكاة الحاسوبية، يمكن للمهندسين الجمع بين أي عدد من الهياكل المجهرية ومراقبة كيفية تحول بعض المواد، على سبيل المثال، لمعرفة كيف يمكن تحويل مواد معينة إلى عدسات صوتية تركز على الصوت أو أغشية خفيفة الوزن مضادة للرصاص.
لكن تصميم المحاكاة لا يمكن أن يذهب أبعد من ذلك. يعد الاختبار المادي للمواد الخارقة ضروريًا لتحديد ما إذا كانت ستحقق النتائج المرجوة. ولكن لم تكن هناك طريقة موثوقة لدفع وسحب المواد الخارقة على المستوى المجهري ومعرفة كيف ستتفاعل دون لمس بنية المادة الخارقة وإتلافها ماديًا في هذه العملية.
لحل هذه المشكلة، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنية لسبر المواد الاصطناعية باستخدام نظام ليزر ثنائي الشعاع، حيث يضيء شعاع ليزر واحد الهيكل بسرعة، ويقيس شعاع الليزر الآخر الطريقة التي يستجيب بها الهيكل للاهتزازات، تمامًا مثل ضرب الجرس باستخدام مطرقة وتسجيل صدى لها. وعلى النقيض من المطرقة، فإن أشعة الليزر لا تقوم بأي اتصال جسدي. ومع ذلك، فإنها تخلق اهتزازات في العوارض والدعامات الصغيرة للمادة الخارقة، تمامًا كما لو أن الهيكل قد تعرض لضرب أو تمديد أو قطع.
Image تُظهر هذه الصورة المجهرية الضوئية مجموعة من عينات المواد الخارقة المجهرية على ركيزة عاكسة.
يمكن للمهندسين بعد ذلك استخدام الاهتزازات الناتجة لحساب مجموعة متنوعة من الخصائص الديناميكية للمادة، مثل كيفية استجابتها للصدمات وكيفية امتصاصها للصوت أو تشتيته. وباستخدام نبضات ليزر فائقة السرعة، يمكنهم إثارة وقياس مئات الهياكل المجهرية في غضون دقائق. توفر هذه التقنية، لأول مرة، طريقة آمنة وموثوقة وعالية الإنتاجية لتوصيف المواد فائقة الحجم ديناميكيًا.
"بهذا النهج، يمكننا تسريع اكتشاف أفضل المواد بناءً على الخصائص المطلوبة." وقال البروفيسور كارلوس بورتيلا، الباحث في كلية الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يطلق فريق البحث على هذه الطريقة اسم LIRAS (التحليل الطيفي الصوتي بالرنين المستحث بالليزر).
استخدم بورتيلا مواد خارقة مصنوعة من بوليمرات شائعة، وقام بطباعتها بتقنية ثلاثية الأبعاد على شكل أبراج صغيرة تشبه السقالة مصنوعة من دعامات مجهرية وعوارض مصغرة. تم تصميم كل برج من خلال تكرار وحدات هندسية فردية وطبقاتها، مثل التكوين المثمّن للعوارض المتصلة. عند تكديسها من طرف إلى طرف، يمكن لترتيب البرج أن ينقل خصائص إلى البوليمر بأكمله لم يكن من الممكن أن يمتلكها بطريقة أخرى.
لكن خيارات المهندسين محدودة للغاية فيما يتعلق بالاختبار الفيزيائي والتحقق من خصائص هذه المواد الاصطناعية. إن تقنية Nanoindentation هي الطريقة المثالية لسبر هذه البنى المجهرية، وإن كان ذلك بطريقة حذرة للغاية ومنضبطة. تستخدم الطريقة طرفًا بحجم ميكرون للضغط ببطء على الهيكل أثناء قياس الإزاحات الصغيرة والقوى أثناء ضغط الهيكل.
يقول بورتيلا: "لكن هذه التقنية لا يمكن تنفيذها إلا بسرعة كبيرة ويمكن أن تلحق الضرر بالهيكل". أردنا إيجاد طريقة لقياس السلوك الديناميكي لهذه الهياكل في الاستجابة الأولية لتأثير قوي دون تدميرها".
توصل الفريق إلى تقنية الموجات فوق الصوتية بالليزر - وهي طريقة غير مدمرة تستخدم نبضات ليزر قصيرة مضبوطة على ترددات الموجات فوق الصوتية لإثارة مواد رقيقة جدًا (مثل الأفلام الذهبية) دون تلامس. يُنتج الإثارة بالليزر موجات فوق صوتية عبر نطاق من الترددات التي يمكن أن تتسبب في اهتزاز الفيلم بتردد معين، والذي يمكن للعلماء استخدامه لتحديد سمك الفيلم بدقة بدقة نانومترية. يمكن أيضًا استخدام هذه التقنية لتحديد ما إذا كان الفيلم به عيوب.
أدرك الفريق أن أشعة الليزر فوق الصوتية يمكنها أيضًا حث أبراج المواد الاصطناعية ثلاثية الأبعاد على الاهتزاز بأمان؛ وتشبه هذه الأبراج، التي يتراوح ارتفاعها من 50 ميكرومترًا إلى 200 ميكرومتر، الأغشية الرقيقة على المستوى المجهري.
لاختبار هذه الفكرة، قام الباحثون ببناء جهاز منضدي يتكون من ليزرين بالموجات فوق الصوتية - ليزر "نبضي" لإثارة عينة المادة الخارقة وليزر "مسبار" لقياس الاهتزازات الناتجة. ليزر "مسبار" لقياس الاهتزازات الناتجة.
ثم قام الباحثون بطباعة مئات الأبراج المجهرية، لكل منها ارتفاع وبنية محددة، على شريحة أصغر من ظفر الإصبع. لقد وضعوا هذا الهيكل المجهري للمواد الخارقة في وحدتي ليزر ثم قاموا بإثارة الأبراج بنبضات متكررة فائقة القصر. ثم قام الليزر الثاني بقياس اهتزازات كل برج. ومن هناك، قام الفريق بجمع البيانات والبحث عن أنماط في الاهتزازات.
صورة برج مطبوع ثلاثي الأبعاد. استخدم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الليزر لمسح الأبراج الدقيقة المصنوعة من المواد الاصطناعية بأمان، مما أدى إلى حدوث اهتزازات، والتي تم التقاطها بعد ذلك باستخدام ليزر ثانٍ وتحليلها لاستنتاج الخصائص الديناميكية للهيكل، مثل الصلابة عند الاستجابة للصدمات.
وقال بورتيلا: "لقد قمنا بإثارة كل هذه الهياكل بالليزر كما لو كنا نضربها بمطرقة". لقد التقطنا تذبذبات مئات الأبراج، التي تأرجحت بطرق مختلفة قليلاً. ومن هذا يمكننا تحليل هذه التذبذبات واستخراج الخصائص الديناميكية. لكل بنية، مثل صلابتها عند التأثير والسرعة التي تنتشر بها الموجات فوق الصوتية من خلالها."
استخدم الباحثون نفس التقنية لفحص الأبراج بحثًا عن العيوب. لقد طبعوا عدة أبراج خالية من العيوب بتقنية ثلاثية الأبعاد، ثم طبعوا نفس الهياكل بدرجات متفاوتة من العيوب، مثل الدعامات والحزم المفقودة (والتي تكون أصغر حتى من خلايا الدم الحمراء).
يقول بورتيلا: "بما أن كل برج لديه توقيع اهتزازي، فقد وجدنا أنه كلما زاد عدد العيوب التي نضعها في نفس الهيكل، كلما تغير هذا التوقيع. إذا اكتشفت هيكلًا بتوقيع مختلف قليلاً، فأنت تعلم أنه ليس مثاليًا".
وقال إن العلماء يمكنهم بسهولة إعادة إنشاء جهاز الليزر في مختبراتهم الخاصة. ومن ثم سيتم تسريع اكتشاف المواد العملية في العالم الحقيقي. في حالة بورتيلا، فهو متحمس لإنشاء واختبار المواد الخارقة لتركيز الموجات فوق الصوتية، على سبيل المثال لزيادة حساسية مجسات الموجات فوق الصوتية. وهو يستكشف أيضًا المواد الاصطناعية المقاومة للصدمات، على سبيل المثال لتصميم ترتيبات البطانة داخل خوذات الدراجات.
وقال الباحثون إن توصيف السلوك الديناميكي للمواد الخارقة من خلال هذا البحث سيساعد في استكشاف أقصى درجات المواد الخارقة. ونشرت الدراسة في مجلة الطبيعة.