該團隊的實(shí)驗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(guān)晶體排列極其復雜，其大小、形狀和數量可能千差萬(wàn)別。傳統上，測量這些材料的應力和應變之間的關(guān)系，被稱(chēng)為彈性矩陣，需要將它們切割或生長(cháng)成單晶。

但這些技術(shù)并不能應用于所有已知的科學(xué)材料，比如噴氣發(fā)動(dòng)機中使用的鈦合金。只有一小部分材料的彈性得到了測量，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)的這項研究的共同負責人 Paul Dryburgh 說(shuō)?！斑@些晶體的形狀和剛度對材料的性能至關(guān)重要。這意味著(zhù)，如果我們試圖拉動(dòng)材料，就像拉彈簧一樣，拉伸性取決于這些數百、數千甚至數百萬(wàn)晶體中的每一個(gè)的大小、形狀和方向。這種復雜的行為使得無(wú)法確定固有的微觀(guān)剛度。100 多年來(lái)，這一直是個(gè)問(wèn)題，因為我們缺乏足夠的方法來(lái)衡量這一屬性?！?/p>

科學(xué)家們相信，通過(guò)利用一種稱(chēng)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。傳統超聲波將高頻聲波發(fā)送到人體組織等樣本中，并測量反彈回來(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，這是傳統超聲波無(wú)法做到的?，F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。

該團隊設計了一種實(shí)驗性激光超聲設備，可以在大約 200 微米的微小空間內產(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)生沿其表面傳播的聲波，并由內置探測器跟蹤，以揭示單晶的方向及其彈性。同樣令人印象深刻的是被稱(chēng)為 SRAS++ 的技術(shù)可以進(jìn)行這些測量的速度。

“SRAS++ 的開(kāi)發(fā)是一個(gè)顯著(zhù)的突破，因為它提供了第一種在不知道材料中晶體分布的情況下測量彈性矩陣的方法，”共同領(lǐng)導該研究的Matt Clark教授說(shuō)?！癝RAS 不需要對單晶進(jìn)行嚴格的制備，它速度很快（每秒可以進(jìn)行數千次測量）并提供無(wú)與倫比的測量精度。該技術(shù)的速度如此之快，以至于我們估計，我們可以在未來(lái)6個(gè)月內重復過(guò)去100年的所有歷史彈性測量?！?/p>

該團隊通過(guò)對純鎳、鈦和鎳-CMSX-4 合金的實(shí)驗驗證了該設備的準確性，并選擇了適合航空航天工程師的樣本?？茖W(xué)家們認為，SRAS++能夠開(kāi)發(fā)出具有定制剛度的新型設計合金，這種合金不僅可以用于飛機，還可以用于具有與人體匹配的彈性的假肢設備。