該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)超聲激光裝置示意圖諾丁漢大學(xué)

這一突破的意義在于，組成金屬合金等材料的微觀晶體排列極其復(fù)雜，其大小、形狀和數(shù)量可能千差萬(wàn)別。傳統(tǒng)上，測(cè)量這些材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，被稱為彈性矩陣，需要將它們切割或生長(zhǎng)成單晶。

但這些技術(shù)并不能應(yīng)用于所有已知的科學(xué)材料，比如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的鈦合金。只有一小部分材料的彈性得到了測(cè)量，這使得許多材料的確切性能不得而知。

“許多材料（如金屬）是由小晶體組成的，”諾丁漢大學(xué)的這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人 Paul Dryburgh 說(shuō)?！斑@些晶體的形狀和剛度對(duì)材料的性能至關(guān)重要。這意味著，如果我們?cè)噲D拉動(dòng)材料，就像拉彈簧一樣，拉伸性取決于這些數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)晶體中的每一個(gè)的大小、形狀和方向。這種復(fù)雜的行為使得無(wú)法確定固有的微觀剛度。100 多年來(lái)，這一直是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲覀內(nèi)狈ψ銐虻姆椒▉?lái)衡量這一屬性。”

科學(xué)家們相信，通過(guò)利用一種稱為激光超聲的技術(shù)，他們已經(jīng)找到了解決這一難題的方法。傳統(tǒng)超聲波將高頻聲波發(fā)送到人體組織等樣本中，并測(cè)量反彈回來(lái)的聲音以創(chuàng)建樣本圖像，而激光超聲波則使用光來(lái)產(chǎn)生這些聲波。

2019 年，我們看到麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們使用一種激光超聲波在沒(méi)有任何皮膚接觸的情況下生成人體圖像，這是傳統(tǒng)超聲波無(wú)法做到的?，F(xiàn)在諾丁漢大學(xué)的研究人員已經(jīng)用它在材料科學(xué)中開(kāi)辟了一些令人興奮的可能性。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)性激光超聲設(shè)備，可以在大約 200 微米的微小空間內(nèi)產(chǎn)生高頻波——大約是兩到三根人類(lèi)頭發(fā)的寬度。激光向樣品材料發(fā)射高能光脈沖，產(chǎn)生沿其表面?zhèn)鞑サ穆暡?，并由?nèi)置探測(cè)器跟蹤，以揭示單晶的方向及其彈性。同樣令人印象深刻的是被稱為 SRAS++ 的技術(shù)可以進(jìn)行這些測(cè)量的速度。

“SRAS++ 的開(kāi)發(fā)是一個(gè)顯著的突破，因?yàn)樗峁┝说谝环N在不知道材料中晶體分布的情況下測(cè)量彈性矩陣的方法，”共同領(lǐng)導(dǎo)該研究的Matt Clark教授說(shuō)。“SRAS 不需要對(duì)單晶進(jìn)行嚴(yán)格的制備，它速度很快（每秒可以進(jìn)行數(shù)千次測(cè)量）并提供無(wú)與倫比的測(cè)量精度。該技術(shù)的速度如此之快，以至于我們估計(jì)，我們可以在未來(lái)6個(gè)月內(nèi)重復(fù)過(guò)去100年的所有歷史彈性測(cè)量?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)純鎳、鈦和鎳-CMSX-4 合金的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)備的準(zhǔn)確性，并選擇了適合航空航天工程師的樣本?？茖W(xué)家們認(rèn)為，SRAS++能夠開(kāi)發(fā)出具有定制剛度的新型設(shè)計(jì)合金，這種合金不僅可以用于飛機(jī)，還可以用于具有與人體匹配的彈性的假肢設(shè)備。