这篇论文的研究内容由麻省理工学院的Rachel Sun教授及其团队完成，研究成果发表在 Science Advances 期刊上。该研究聚焦于微结构超材料在声学领域的应用，尤其是在高频（兆赫兹）超声波控制方面的潜力。
在过去的十年中，微结构（超）材料的准静态特性得到了广泛研究，但其动态响应，尤其是在声学超材料中，仍然是一个新的前沿领域。声学超材料是具有工程波传播行为的特定类型的架构材料，具有在医疗超声、逻辑开关、拓扑绝缘体和地震防护等设备中的潜在应用。然而，微型声学超材料在高频（兆赫兹）范围内的缩小和表征面临着许多挑战，这限制了超声波控制的实验实现。为了解决这些问题，研究团队提出了一种基于微球位置的惯性设计框架，以调节三维微尺度超材料的响应。
研究团队通过简单的几何变化，展示了可调的准静态刚度和动态纵波速度，分别提高了75%和25%，同时保持相同的材料密度。研究中使用了非接触激光动态实验和数值模拟，探讨了可调静态和弹性动力学特性之间的关系。具体而言，研究人员采用了激光诱导共振声谱法（LIRAS）对微尺度超材料进行非接触机械表征，测量了弹性波的传播。这种方法使得在没有流体介质的情况下，能够快速重建色散关系，并识别材料的弹性波极化。通过这种方法，研究人员能够在兆赫兹频率范围内识别微结构超材料的共振模式。
在研究过程中，团队面临了几个主要挑战。首先，微型声学超材料的制造和表征在高频范围内的复杂性使得实验验证变得困难。其次，尽管已有的研究表明局部共振和惯性放大可以扩展弹性动力学特性空间，但大多数物理演示依赖于多种组成材料，这增加了宏观制造过程的复杂性，并在微观尺度上显著提高了制造难度。此外，现有的实验方法在微尺度超材料的动态特性测量方面仍然有限，尤其是在兆赫兹频率范围内的声学超材料的实验验证相对稀缺。因此，如何有效地实现高频声波的传播控制，成为了该研究的一个重要痛点。
本研究的成果为微尺度超材料的设计和制造提供了一个新的框架，展示了通过简单的几何变化来扩展可调动态特性空间的可能性。研究团队使用的Nanoscribe的Photonic Professional GT2 设计的微球框架，不仅能够实现超声波传播的时空编程，还为医疗超声和机械计算等应用提供了广泛的设计库。
未来，该研究的框架有望在多个领域得到应用，包括超声波成像、声学阻抗匹配和波聚焦等。随着对微结构超材料的进一步研究，预计将会出现更多创新的应用，尤其是在医疗设备和微型计算机领域。总之，麻省理工学院的Rachel Sun教授及其团队的研究为声学超材料的设计和应用开辟了新的方向，展示了通过惯性设计实现超声波传播控制的巨大潜力。这项研究不仅推动了超材料领域的发展，也为未来的技术创新奠定了基础。
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https://doi.org/10.1126/sciadv.adq6425
