Feidhm Nua ar Theicneolaíocht Léasair: Taighde ar Mhitea-ábhair a Spreagadh

Tá airíonna urghnách ag meitea-ábhair, cé go bhfuil siad déanta as polaiméirí, criadóireacht agus miotail laethúla, mar gheall ar a gcuid micristruchtúir bheachtais casta agus casta.
Le cabhair ó ionsamhlúcháin ríomhaire, is féidir le hinnealtóirí líon ar bith micreastruchtúir a chomhcheangal agus breathnú ar an gcaoi a n-athraítear ábhair áirithe, mar shampla, féachaint conas is féidir ábhair áirithe a chlaochlú go lionsaí fuaimiúla atá dírithe ar fhuaim nó ina seicní éadroma urchairdíonacha.
Ach ní féidir le dearadh insamhalta dul ach go dtí seo. Tá gá le tástáil fhisiceach ar ábhair chun a chinneadh an mbainfidh siad na torthaí inmhianaithe amach. Ach ní raibh aon bhealach iontaofa ann chun meite-ábhair a bhrú agus a tharraingt ar an scála micreascópach agus féachaint conas a imoibríonn siad gan teagmháil agus damáiste fisiciúil a dhéanamh don struchtúr meitea-ábhar sa phróiseas.
Chun an fhadhb seo a réiteach, d'fhorbair taighdeoirí MIT teicníc chun meitea-ábhair a iniúchadh ag baint úsáide as córas léasair dhá-bhíoma-soilsíonn bhíoma léasair amháin an struchtúr go tapa, agus tomhaiseann an bhíoma léasair eile an bealach a bhfreagraíonn an struchtúr do chreathadh, cosúil le bualadh clog le mallet agus a aisfhuaimniú á thaifeadadh. I gcodarsnacht le mallet, ní dhéanann léasair aon teagmháil fhisiciúil. Ach cruthaíonn siad creathadh i bíomaí bídeacha agus teanntóga an mheitea-ábhar, díreach mar a bheadh ​​an struchtúr buailte, sínte nó lomtha go fisiciúil.
Íomhá Taispeánann an micreagraf optúil seo raon samplaí meitea-ábhar micreascópacha ar fhoshraith fhrithchaiteach.
Is féidir le hinnealtóirí ansin na creathadh a thagann as a úsáid chun éagsúlacht airíonna dinimiciúla an ábhair a ríomh, mar shampla an chaoi a bhfreagraíonn sé do thionchair agus an chaoi a n-ionsúnn sé nó a scaipeann sé fuaim. Ag baint úsáide as bíoga léasair ultrafast, is féidir leo na céadta microstructures a spreagadh agus a thomhas i gceann cúpla nóiméad. Soláthraíonn an teicníocht seo, den chéad uair, modh sábháilte, iontaofa agus ard-thréchuir chun tréithriú dinimiciúil a dhéanamh ar ábhair mhiocróscála.
"Leis an gcur chuige seo, is féidir linn dlús a chur le fionnachtain na n-ábhar is fearr bunaithe ar na hairíonna atá ag teastáil." Dúirt an tOllamh Carlos Portela, taighdeoir ag Scoil na hInnealtóireachta Meicniúla de chuid MIT. Glaonn an fhoireann taighde an modh seo LIRAS (Speictreascópacht Fuaimiúil Athshondais Ionduchtaithe Léasair).
Bhain Portela úsáid as meitea-ábhair déanta as polaiméirí coitianta, a chlóbhuail sé i 3D i dtúir bídeacha cosúil le scafall a bhí déanta as teanntóga micreascópacha agus bíomaí beaga. Déantar patrún ar gach túr trí aonaid gheoiméadracha aonair a athrá agus a leagan, mar shampla cumraíocht ochtagánach de léasacha ceangail. Nuair a bheidh sé cruachta ó cheann ceann, is féidir leis an socrú túir airíonna a thabhairt don pholaiméir iomlán nach mbeadh aige murach sin.
Ach tá innealtóirí teoranta go mór ina roghanna chun na hairíonna meite-ábhar seo a thástáil agus a fhíorú go fisiciúil. Is é an anoindentation an bealach bunúsach chun micreastruchtúir den sórt sin a iniúchadh, cé gur ar bhealach an-chúramach agus rialaithe é. Úsáideann an modh tip de mhéid miocrón chun an struchtúr a bhrú síos go mall agus na díláithrithe agus na fórsaí bídeacha a thomhas agus an struchtúr ag comhbhrú.
Ach ní féidir an teicníocht seo a dhéanamh ach go han-tapa agus féadfaidh sé damáiste a dhéanamh don struchtúr," a deir Portela. Theastaigh uainn bealach a fháil chun iompar dinimiciúil na struchtúr seo a thomhas sa chéad fhreagra ar thionchar láidir gan iad a mhilleadh."
Tháinig an fhoireann suas le ultrafhuaime léasair - modh neamh-millteach a úsáideann bíoga léasair gearra tiúnta le minicíochtaí ultrasonaic chun ábhair an-tanaí (cosúil le scannáin óir) a spreagadh gan teagmháil. Táirgeann excitation léasair tonnta ultrafhuaime thar raon minicíochtaí a fhéadfaidh an scannán a chreathadh ag minicíocht áirithe, ar féidir le heolaithe a úsáid chun tiús beacht an scannáin a chinneadh le cruinneas nanaiméadar. Is féidir an teicníc a úsáid freisin chun a chinneadh an bhfuil lochtanna ar scannán.
Thuig an fhoireann go bhféadfadh léasair ultrasonaic a gcuid túir meite-ábhar 3D a spreagadh go sábháilte chun creathadh; tá na túir seo, a raon airde ó 50 micriméadar go 200 micriméadar, cosúil le scannáin tanaí ar scála micreascópach.
Chun an smaoineamh seo a thástáil, thóg na taighdeoirí gléas boird comhdhéanta de dhá léasair ultrasonaic - léasair "pulse" chun an sampla meitea-ábhar agus léasair "probe" a spreagadh chun na creathadh a d'eascair as a thomhas. Léasair “probe” chun na creathadh a leanann as a thomhas.
Ansin phriontáil na taighdeoirí na céadta túr micreascópacha, gach ceann acu le airde agus struchtúr ar leith, ar shlis níos lú ná ingne. Chuir siad an struchtúr micreascópach seo de mheiteashonraí in dhá aonad léasair agus ansin spreag siad na túir le bíoga ultraghearr arís agus arís eile. Thomhais an dara léasair tonnchrith gach túir ansin. Ón áit sin, bhailigh an fhoireann sonraí agus d'fhéach siad le patrúin sna vibrations.
Íomhá túr priontáilte 3D. Bhain taighdeoirí MIT úsáid as léasair chun na micreathábhair mheitea-ábhair a scanadh go sábháilte, rud a spreag na tonnchrith, a gabhadh ansin leis an dara léasair agus a ndearnadh anailís orthu chun tátal a bhaint as airíonna dinimiciúla an struchtúir, mar shampla stiffness mar fhreagra ar turraingí.
Chuireamar sceitimíní ar na struchtúir seo go léir leis an léasair amhail is dá mba rud é go raibh muid ag bualadh le casúr orthu," a dúirt Portela. Ghlacamar ascaluithe na gcéadta túir, a ascalaíodh ar bhealaí beagán difriúil. gach struchtúr, mar shampla a stiffness chun tionchar agus an luas ag a bhfuil na tonnta ultrafhuaime iomadaíodh trí iad."
Bhain na taighdeoirí úsáid as an teicníc chéanna chun na piolóin a scanadh le haghaidh lochtanna. Phriontáil siad 3D roinnt túir saor ó lochtanna agus ansin phriontáil siad na struchtúir chéanna le leibhéil éagsúla lochtanna, cosúil le teanntóga agus bíomaí ar iarraidh (atá níos lú fiú ná cealla fola dearga).
Deir Portela, "Ós rud é go bhfuil síniú creathadh ag gach túr, fuair muid amach dá mhéad lochtanna a chuireamar isteach sa struchtúr céanna, is mó a athraíonn an síniú seo. Má bhraitheann tú struchtúr le síniú beagán difriúil, tá a fhios agat nach bhfuil sé foirfe."
D’fhéadfadh eolaithe an gléas léasair a athchruthú go héasca ina saotharlanna féin, a dúirt sé. Chuirfí dlús ansin le teacht ar ábhair phraiticiúla ón saol fíor. I gcás Portela, tá paiseanta aige maidir le meitea-ábhair a chruthú agus a thástáil chun tonnta ultrafhuaime a dhíriú, mar shampla chun íogaireacht na tóireadóirí ultrafhuaime a mhéadú. Tá sé ag fiosrú freisin meite-ábhair atá frithsheasmhach in aghaidh tionchair, mar shampla chun socruithe línéara a dhearadh taobh istigh de chlogaid rothair.
Má tréithrítear iompar dinimiciúil na meite-ábhair tríd an taighde seo, cabhrófar le hiniúchadh a dhéanamh ar dhálaí foircneacha na meiteashonraí, a dúirt na taighdeoirí. Foilsíodh an staidéar san iris Nature.