В этой статье рассказывается о том, как акустические метаматериалы могут быть использованы для инновационные технологии изготовления за рамки стандартной литографии и термической обработки. Используя такие необычные свойства, как локализованный резонанс и аномальная дисперсия, акустические метаматериалы позволяют бесконтактно лепить материалы с помощью механических напряжений и нагрева, передаваемых через резонансные акустические поля. Представлены такие области применения, как микроэлектроника с прямой записью и многомасштабная иерархическая сборка.

Изготовление акустического метаматериала: Скульптурирование металла с помощью звуковых волн

Акустические метаматериалы стали революционным классом искусственных структур, способных манипулировать звуком необычным и контринтуитивным образом. Благодаря тщательному проектированию упругих свойств на структурном уровне, метаматериалы могут фокусировать, направлять или блокировать акустические волны в беспрецедентных манерах, не наблюдаемых в природных материалах.

Вместо того, чтобы просто поглощать или отражать звук, метаматериалы взаимодействуют с волнами на глубоких уровнях благодаря таким явлениям, как отрицательные объемные модули, полосовые зазоры и локальные резонансы. При воздействии резонансных акустических полей связанные среды могут претерпевать удивительные изменения в своей физической структуре и свойствах. Это вызвало интерес к использованию уникальных волновых явлений метаматериалов для нетрадиционных технологий изготовления, выходящих за рамки обычных литографических или термических парадигм.

Соединяя целевые материалы с резонансными акустическими метаматериалами, устойчивое акустоупругое воздействие позволяет осуществлять бесконтактную скульптуру за счет механических напряжений, тепла и микроструктурных изменений, передаваемых через метаматериал. В данной презентации рассматривается новое, но чрезвычайно перспективное применение инженерного резонансного звука для скульптурной обработки материалов совершенно новыми, программируемыми способами без физического контакта или традиционных инструментов изготовления. Обсуждаются как теоретические принципы, так и практические примеры.

Нетрадиционное изготовление Использование акустических метаматериалов

Акустические метаматериалы открывают беспрецедентные возможности для манипулирования звуком за пределами того, что возможно при использовании обычных материалов. Используя их необычные свойства, такие как отрицательный модуль объемной упругости, зазоры и локализованные резонансы, исследователи изучают инновационные технологии изготовления, альтернативные традиционным субтрактивным и формативным методам. В этой статье рассматриваются два таких нетрадиционных подхода - резонансные акустические метаматериалы и свернутые пространственные акустические метаматериалы.

Резонансные акустические метаматериалы

Акустические метаматериалы, сконструированные с использованием локальных резонансов, таких как резонаторы Гельмгольца или механические осцилляторы, могут создавать полосовые зазоры, в которых резонансное поведение препятствует распространению волн [1]. Когда акустические волны взаимодействуют с такими структурами, внутренние резонансы метаматериала возбуждаются [2]. Используя эти резонансные эффекты, сфокусированные ультразвуковые поля могут формировать целевые материалы в мезоскопических масштабах.

Подвергая твердые тела воздействию структурированных ультразвуковых полей, генерируемых акустическими метаматериалами с внутренними резонансами, можно добиться микроскопической деформации благодаря эффектам нелинейной акустоупругой связи. Метаматериал действует как "акустическая щетка", где его резонансные моды проносятся по поверхности материала. Повторное возбуждение резонансов метаматериала передает физическую деформацию через длительное акустическое воздействие, позволяя наноразмерное нанесение рисунка без разделения или удаления материала. Этот подход открывает новые пути для бесконтактного изготовления фононных структур и метаматериалов с помощью резонансной акустической связи.

Свернутые пространственные акустические метаматериалы

Акустические метаматериалы, основанные на свернутых геометриях, которые свертывают пространство, вызывают такие загадочные волновые явления, как двойная отрицательность и гиперболическая дисперсия [3]. Их извилистые пути значительно усиливают взаимодействие волн с веществом, резко замедляя фазовые скорости и усиливая локализованное давление [4]. Воздействие на твердые тела структурированными звуковыми полями, генерируемыми такими акустическими метаматериалами "свернутого пространства", позволяет добиться микроскопической деформации благодаря длительному звуковому облучению.

Повторяющиеся акустические циклы аномальных дисперсионных соотношений свернутого пространственного акустического метаматериала передают высоко локализованные градиенты напряжения, способные генерировать дислокационные сети и модулировать кристаллические структуры. Это позволяет осуществлять такие формирующие процессы, как деформационная инженерия и создание доменов ниже дифракционного предела. В отличие от субтрактивной литографии, свернутые пространственные акустические метаматериалы лепят материалы путем длительного резонансного воздействия, а не удаления или осаждения материала. Их способность создавать мезоскопические деформации посредством аномальных волновых манипуляций открывает нетрадиционные пути для изготовления материалов с высоким разрешением без физического контакта или обычных инструментов.

В заключение следует отметить, что акустические метаматериалы открывают новые горизонты для нетрадиционных технологий изготовления благодаря своей способности создавать материалы с помощью одного лишь структурированного звука. Резонансные и свернутые пространственные акустические метаматериалы иллюстрируют подходы, использующие необычные волновые явления этих метаматериалов для обеспечения возможности нанопроизводства за пределами традиционных парадигм, основанных на фотонах, электронах или инструментах травления/осаждения. Дальнейшее развитие этих зарождающихся методов может привести к революционным возможностям создания материалов в микроскопических масштабах.

Вибрационное формирование металлов

Применяемые резонансные акустические поля способны формировать традиционно податливые металлы посредством вибрационной перестройки - явление, которое остается практически неизученным. Значительная пластичность возникает благодаря механическим напряжениям и тепловым эффектам, индуцированным в этих материалах под воздействием резонансного акустического поля.

Пластическая деформация, вызванная резонансом

Когда акустические волны используются для резонанса акустического метаматериала, внутри любой связанной структуры естественным образом возникают локализованные напряжения, вызванные резонансным возбуждением [5]. Для вязких металлов, сопряженных с таким метаматериалом, эти динамически изменяющиеся нагрузки могут легко превысить предел текучести материала, инициируя широко распространенное пластическое течение. Области локализации усиленной циклической деформации накапливают микроструктурные преобразования, в конечном итоге формируя металл в новые макроскопические формы.

Повторяющиеся резонансные циклы акустического метаматериала создают изменяющиеся во времени градиенты напряжений в соединенной металлической структуре. По мере динамического превышения пределов текучести дислокации начинают размножаться и перестраиваться. Накопленная пластическая деформация постепенно формирует материал в соответствии с геометрией, определяемой резонансными модами метаматериала. Это позволяет манипулировать микроструктурой и макроскопически изменять форму металлов с помощью пластичности, обусловленной резонансом, а не традиционными субтрактивными или формообразующими методами.

Акустическое смягчение благодаря тепловому воздействию

В материалах, подверженных резонансной акустической нагрузке, также выделяется значительное количество тепла, возникающее в результате поглощения акустической энергии и собственных вязкоупругих потерь при высокочастотных циклических деформациях [6]. При повышении температуры вблизи характерных точек, таких как температура Кюри для ферромагнитных металлов, происходит резкое снижение предела текучести за счет эффекта фононного размягчения.

Такое термическое ослабление позволяет металлическим структурам легче подвергаться пластической деформации под действием резонансных акустических нагрузок. Таким образом, изменения геометрии, ранее недостижимые, могут возникнуть благодаря пластичности, вызванной термическим воздействием. Вместе с резонансной локальной пластичностью мягкий акустический нагрев предоставляет новые средства для создания новых макроскопических форм из трансляционно симметричных металлов чисто аддитивным, бесконтактным способом.

Таким образом, резонансные акустические поля позволяют формировать традиционно податливые металлы с помощью колебательных механизмов. Использование локализованных напряжений и умеренного акустического нагрева во время резонанса позволяет создавать грозные структуры с потенциальными возможностями применения - от архитектурных материалов до биомедицинских устройств.

Применение в аддитивном производстве

Акустические метаматериалы имеют преимущества для аддитивного производства по сравнению с традиционными лазерными методами термической обработки. Бесконтактное вибрационное формообразование с использованием акустических метаматериалов позволяет избежать таких проблем, как зоны термического воздействия, и обеспечивает возможность многомасштабного нанесения рисунка благодаря умелому проектированию резонансных мод метаматериала и его свойств.

Многочастотное формирование

Фононные зазоры, которые демонстрируют некоторые акустические метаматериалы, обеспечивают возможность мультиплексирования с разделением частот в процессе аддитивного производства [7]. Последовательно подвергая структуру воздействию различных частот акустического излучения, соответствующих различным диапазонам полос пропускания, сложные запрограммированные решетки и узоры могут самособираться из простых примитивных компонентов в пошаговом режиме.

Каждая акустическая обработка уникальным образом формирует материал в соответствии с модальной формой возбужденного резонансного состояния. Таким образом, правильное проектирование спектра полос пропускания метаматериала позволяет создавать иерархические, многомасштабные структуры посредством акустоупругой самосборки, используя только одночастотное воздействие.

Микронанесение рисунка на электронику

Акустические метаматериалы, основанные на геометрии катушек или массивах механических осцилляторов, могут генерировать глубоко субволновые ультразвуковые лучи при резонансном возбуждении [8]. Эти звуковые "щетки" способны напрямую прописывать микро- и наноразмерные особенности посредством локализованной пластической деформации, индуцированной в близлежащих материалах.

Это позволяет бесконтактно и в один этап изготавливать интегрированные электронные компоненты с размерами ниже предела акустической дифракции. Сложные трехмерные межсоединения для микрочипов или печатных схем могут самостоятельно собираться из тонких металлических пленок с помощью тщательно разработанных резонансных акустических метаматериалов и многочастотного звукового воздействия.

В целом, акустические метаматериалы представляют собой универсальный набор инструментов для многомерного и многомасштабного аддитивного производства благодаря необычайной способности создавать материалы исключительно с помощью резонансного звука. Их применение охватывает иерархические материалы, микроэлектронику и не только.

Заключение

Акустические метаматериалы продемонстрировали огромный потенциал для манипулирования материалами и изменения форм беспрецедентными способами с помощью структурированных резонансных звуковых полей. Помимо простого подавления распространения волн, эти инженерные структуры могут использовать такие явления, как локализованные резонансы, отрицательные свойства и свернутые геометрии для придания физических изменений связанным средам.

Эта нетрадиционная методология аддитивного производства использует акустоупругую связь, пластическую деформацию и тепловые эффекты, вызываемые акустическими метаматериалами, чтобы обеспечить бесконтактное нано- и микроструктурирование на основе растворов без использования обычных инструментов. Приложения могут включать самосборку иерархических композитов, микроэлектронику с прямой записью и вибрационную перестройку металлических структур.

Хотя технологии изготовления акустических метаматериалов все еще находятся в зачаточном состоянии, они уже продемонстрировали успех в масштабах длины от нано- до макро. По мере того, как наше понимание взаимодействия волн и материалов будет углубляться, а возможности проектирования метаматериалов расширяться, эти решения могут когда-нибудь сравняться с традиционными режимами или превзойти их. Продолжение изучения резонансного акустического скульптурирования обещает революционные новые направления для бесконтактного, программируемого синтеза материалов без ограничений оптики, электронов или физического контакта.

Вопросы и ответы

В: Как акустические метаматериалы лепят материалы?

О: Метаматериалы вызывают физические изменения благодаря эффектам акустической связи, таким как локализованные резонансы, аномальная дисперсия и тепловой отклик. Повторяющиеся циклы резонансных режимов метаматериала передают механические напряжения и тепло на связанные среды, обеспечивая пластическую деформацию, микроструктурные изменения и фазовые превращения благодаря бесконтактному резонансному акустическому воздействию.

В: Какие материалы могут быть изготовлены?

О: Большинство твердых материалов поддаются изготовлению акустических метаматериалов, включая металлы, полимеры, керамику и композитные материалы. Вязкие металлы особенно хорошо подходят для изменения формы с помощью пластичности, вызванной вибрацией, а структурированный нагрев позволяет синтезировать новые керамики и кристаллы с помощью термических процессов.

В: Каковы ограничения по размеру?

О: Некоторые акустические метаматериалы могут структурировать среду на всех масштабах длины, от макро- до нано. Однако разрешение характеристик зависит от метаматериала: механические осцилляторы позволяют осуществлять прямую запись на микро/нано уровне, а панели с полосой пропускания способны к крупномасштабной самосборке. Непрерывное совершенствование техники подталкивает ее ко все более мелким размерам.