超材料雖然是由日常使用的聚合物、陶瓷和金屬製成，但由於(yu) 其精密的微觀結構錯綜複雜，因而具有非凡的特性。

在計算機模擬的幫助下，工程師們(men) 可以任意組合微觀結構，觀察某些材料如何轉變，比如看看某些材料如何轉化為(wei) 聲聚焦聲學透鏡或輕質防彈膜等。 

但是，模擬設計隻能到此為(wei) 止。要確定超材料是否能達到預期效果，必須對其進行物理測試。但一直沒有可靠的方法在微觀尺度上對超材料進行推拉，並了解它們(men) 將如何反應，而在此過程中又不會(hui) 接觸和物理損壞超材料結構。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，麻省理工學院的研究人員開發了一種技術，利用兩(liang) 束激光係統探測超材料——一束激光快速照射結構，另一束激光測量結構的振動響應方式，就像用木槌敲擊鍾聲並記錄其混響一樣。與(yu) 木槌相比，激光沒有任何物理接觸。然而，它們(men) 卻能在超材料的微小橫梁和支柱上產(chan) 生振動，就像結構受到物理打擊、拉伸或剪切一樣。

這張光學顯微照片顯示了反射基板上的微觀超材料樣品陣列

然後，工程師們(men) 就可以利用由此產(chan) 生的振動來計算材料的各種動態特性，例如材料對衝(chong) 擊的反應以及材料對聲音的吸收或散射。利用超快激光脈衝(chong) ，他們(men) 可以在幾分鍾內(nei) 激發並測量數百個(ge) 微型結構。這項技術首次為(wei) 動態表征微尺度超材料提供了一種安全、可靠和高通量的方法。 

“有了這種方法，我們(men) 可以根據想要的特性，加快最佳材料的發現。”麻省理工學院機械工程學院的研究人員Carlos Portela教授表示。研究團隊將這種方法稱為(wei) LIRAS（激光誘導共振聲學光譜學）。 

Portela使用的超材料是由常見的聚合物製成的，他將這些聚合物3D打印成由微觀支柱和微型梁製成的微小的腳手架狀塔。每座塔都通過重複和分層單個(ge) 幾何單元來形成圖案，例如連接梁的八角配置。當端對端堆疊時，塔式排列可以賦予整個(ge) 聚合物原本不具有的特性。 

但工程師們(men) 在物理測試和驗證這些超材料特性方麵的選擇受到嚴(yan) 重限製。納米壓痕是探測這種微觀結構的典型方式，盡管是以一種非常謹慎和可控的方式。該方法使用微米級尖端緩慢向下推動結構，同時測量結構壓縮時的微小位移和力。 

Portela說：“但這種技術隻能進行得很快，且會(hui) 破壞結構。我們(men) 想找到一種方法來測量這些結構的動態行為(wei) ，在對強烈撞擊的初始反應中，又不會(hui) 破壞它們(men) 。” 

該團隊想到了激光超聲波——一種非破壞性方法，使用調諧到超聲頻率的短激光脈衝(chong) 來激發非常薄的材料（如金膜），而無需接觸。激光激發產(chan) 生的超聲波在一定範圍內(nei) ，可以使薄膜以一定的頻率振動，而科學家可以利用該頻率來確定薄膜精確厚度，精度可達納米級。該技術也可用於(yu) 確定薄膜是否存在缺陷。

研究團隊意識到，超聲波激光器也可以安全地誘導他們(men) 的3D超材料塔振動；這些塔的高度從(cong) 50微米到200微米不等，在微觀尺度上與(yu) 薄膜相似。 

為(wei) 了驗證這一想法，研究人員建造了一個(ge) 由兩(liang) 個(ge) 超聲波激光器組成的桌麵裝置——一個(ge) 用於(yu) 激發超材料樣品的“脈衝(chong) ”激光器和一個(ge) 用於(yu) 測量由此產(chan) 生的振動的“探測”激光器。 

然後，研究人員在一塊小於(yu) 指甲蓋的芯片上打印了數百個(ge) 微觀塔，每個(ge) 塔都有特定的高度和結構。他們(men) 將這座超材料的微型結構放置在兩(liang) 個(ge) 激光器裝置中，然後用重複的超短脈衝(chong) 激發塔體(ti) 。第二台激光器則測量了每座塔體(ti) 的振動。由此，研究小組收集了數據，並尋找振動的模式。 

3D打印的塔體(ti) 。麻省理工學院的研究人員使用激光安全地掃描超材料微型塔，從(cong) 而引發振動，然後用第二束激光捕獲振動並進行分析，以推斷結構的動態特性，例如響應衝(chong) 擊的剛度。

Portela說：“我們(men) 用激光激發所有這些結構，就像用錘子擊打它們(men) 一樣。我們(men) 捕捉到數百座塔體(ti) 的擺動，它們(men) 的擺動方式略有不同。由此我們(men) 可以分析這些擺動，並提取每個(ge) 結構的動態特性，例如它們(men) 對衝(chong) 擊的剛度，以及超聲波穿過它們(men) 進行傳(chuan) 播的速度。” 

研究人員使用同樣的技術來掃描塔架的缺陷。他們(men) 3D打印了幾座無缺陷的塔體(ti) ，然後打印了相同的結構，但有著不同程度的缺陷，例如缺少支柱和橫梁（這些支柱和梁甚至比紅細胞還小）。 

Portela說：“由於(yu) 每座塔都有一個(ge) 振動特征，我們(men) 發現，在同一結構中放入的缺陷越多，這種特征的變化就越大。如果你檢測到一個(ge) 特征略有不同的結構，你就會(hui) 知道它並不完美。” 

他說，科學家們(men) 可以在自己的實驗室裏輕鬆地重新創建激光裝置。然後，實用的、現實世界的超材料的發現將得以加速發展。就Portela而言，他熱衷於(yu) 製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。他也在探索抗衝(chong) 擊超材料，例如用於(yu) 自行車頭盔內(nei) 部的襯裏排列設計。

研究人員表示，通過這一研究來表征超材料的動態行為(wei) ，有助於(yu) 探索超材料的極致。該研究發表在《Nature》雜誌上。