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。“這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)雜的行為使得無法確定固有的微觀剛度。100 多年來，這一直是個(gè)問題，因?yàn)槲覀內(nèi)狈ψ銐虻姆椒▉砗饬窟@一屬性。”

科學(xué)家們相信，通過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)量反彈回來的聲音以創(chuàng)建樣本圖像，而激光超聲波則使用光來產(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)超聲波無法做到的。現(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ǎ⒂蓛?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。“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6個(gè)月內(nèi)重復(fù)過去100年的所有歷史彈性測(cè)量。”

該團(tuán)隊(duì)通過對(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。科學(xué)家們認(rèn)為，SRAS++能夠開發(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。