科學家們在試驗一種尖端的超聲波技術時想出了一種測量微觀尺度上的材料彈性的精確方法。該方法相當具有突破性。據悉，基於對聲波在單個晶體上反彈的追蹤，這一進展可能對下一代材料的開發產生重要影響並有可能應用於航空航天工程和醫療植入物領域。
這一突破的意義跟構成金屬合金等材料的微觀晶體的複雜排列有關，這些晶體的大小和形狀各不相同，其數量可達數百萬。傳統上，測量這些材料的應力和應變之間的關係即所謂的彈性矩陣需要將它們切開或生長出一個晶體。但這些技術並不能應用於科學上已知的每一種材料，如噴氣式發動機中使用的鈦合金。只有一小部分材料對其彈性進行了測量，這使得許多材料的確切屬性不明。
“許多材料（如金屬）是由小晶體組成的，”來自諾丁漢大學、這項研究的負責人Paul Dryburgh指出，“這些晶體的形狀和硬度對材料的效能至關重要。這意味著，如果我們試圖拉動材料，就像拉動彈簧一樣，拉伸度取決於這些數百、數千甚至數百萬晶體中每一個的大小、形狀和方向。這種複雜的行為使得我們無法確定固有的微觀剛度。100多年來，這一直是一個問題，因為我們一直缺乏足夠的手段來測量這一特性。”
科學家們相信他們已經找到了解決這一難題的辦法，即利用一種被稱為鐳射超聲波的技術。傳統的超聲波將高頻聲波送入樣本如人體組織，然後測量反彈回來的聲音以建立一個樣本的影象，而鐳射超聲波則使用光來產生這些聲波。
2019年，麻省理工的科學家使用一種鐳射超聲的形式在不接觸面板的情況下生成人體的影象，這在傳統的超聲中是不可能實現的。現在，諾丁漢大學的研究人員則用它在材料科學領域開闢了一些令人興奮的可能性。
該團隊設計了一個實驗性的鐳射超聲裝置，它可以在約200微米的微小空間內產生高頻波--約是兩三根人類頭髮的寬度。鐳射器向樣品材料發射一個高能量的光脈衝從而產生一個沿其表面傳播的聲波，另外透過一個內建的檢測器進行跟蹤以揭示單晶的方向及其彈性。同樣令人印象深刻的是這項被稱為SRAS++的技術能進行這些測量的速度。
“SRAS++的開發是一個顯著的突破，因為它提供了第一個在不知道材料中晶體分佈的情況下測量彈性矩陣的方法，”共同領導這項研究的Matt Clark教授說道，“SRAS不需要對單個晶體進行精確的準備；它是快速的（每秒可以進行數千次測量）並提供無與倫比的測量精度。該技術的速度是這樣的，我們估計我們可以在未來六個月內重複過去100年的所有歷史彈性測量。”
截止到目前，該團隊透過在純鎳、鈦和鎳-CMSX-4合金上的實驗驗證了該裝置的準確性。而之所以選擇這些標本是因為它們在航空航天工程師中的地位。不過科學家們設想著SRAS++能幫助開發出具有定製硬度的新設計合金，這將不僅可以在飛機上使用還可以用於具有跟人體相匹配的彈性的假肢裝置。
