中科院深圳先進(jìn)院等實(shí)現(xiàn)超聲操控搬運(yùn)與“聲篩”技術(shù)

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       “隔空探物”自古至今是人們夢(mèng)想的神奇本領(lǐng)。6月11日最新一期的《應(yīng)用物理評(píng)論》（Physical Review Applied）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮課題組與國(guó)內(nèi)外合作者的研究結(jié)果，在理論和實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了利用超聲輻射力效應(yīng)對(duì)于物體進(jìn)行非接觸的操控、搬運(yùn)以及篩選，這使得利用聲波進(jìn)行一定距離的“隔空探物”成為現(xiàn)實(shí)。該研究論文題為《基于聲子晶體的高可調(diào)聲輻射力聲操控技術(shù)與聲篩》（Phononic Crystal Based Acoustic Sieve for Tunable Manipulations of Particles by Highly Localized Radiation Force），成果被編輯推薦為“研究亮點(diǎn)”和“特色研究”，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究同行及科普媒體的廣泛關(guān)注。

　　聲波操控技術(shù)利用聲場(chǎng)中的顆粒對(duì)聲波產(chǎn)生的反射、折射、吸收等效應(yīng)引起的動(dòng)量在聲波與顆粒之間交換，通過(guò)顆粒受到的力的作用對(duì)其進(jìn)行操控。聲子晶體（人工周期結(jié)構(gòu)）是具有聲子帶隙的人造周期彈性介質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用聲波在不同周期結(jié)構(gòu)材料中的傳播規(guī)律，以及不同材料的組元及其結(jié)構(gòu)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)及帶隙的調(diào)控機(jī)制，可以設(shè)計(jì)優(yōu)化聲子晶體以對(duì)聲場(chǎng)形態(tài)進(jìn)行調(diào)制，從而控制聲波的傳播和分布。

　　在該研究中，鄭海榮課題組提出通過(guò)設(shè)計(jì)制造的人工周期結(jié)構(gòu)對(duì)換能器發(fā)射波束進(jìn)行再調(diào)控的方法，首次利用聲子晶體板蘭姆波誘發(fā)的透射增強(qiáng)機(jī)制，產(chǎn)生高度局域化的聲輻射力，對(duì)同種材料不同尺寸或者相同尺寸不同材料的微納米顆粒成功地實(shí)現(xiàn)了捕獲、排列、移動(dòng)、篩選等操控。由于組成“聲篩”的聲子晶體板的共振頻率由晶格常數(shù)和板厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，因此可設(shè)計(jì)優(yōu)化捕獲力的激勵(lì)頻率以及微納顆粒的篩選尺寸。又因?yàn)轭w粒尺寸小于晶格常數(shù)，且晶格常數(shù)為蘭姆波的波長(zhǎng)，它小于同頻率聲波在水中的波長(zhǎng)，所以“聲篩”對(duì)微納顆粒的操控具有亞波長(zhǎng)特征。因此，“聲篩”實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞波長(zhǎng)微納米顆粒的可調(diào)控操控，其在生物醫(yī)學(xué)工程、3D打印、催化反應(yīng)和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。利用該技術(shù)研制精確可靠、成本低廉的微納顆粒控制器件，可為研究金屬、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA等微納米顆粒及其微納結(jié)構(gòu)的裝配、基本力學(xué)、物理和生化特性提供重要研究手段，為用于細(xì)胞、血小板、蛋白質(zhì)等生物顆粒篩選的新型生化分析儀器的研制提供新操控技術(shù)支持。

　　深圳先進(jìn)院的李飛和蔡飛燕博士為共同第一作者，鄭海榮研究員為通訊作者。該工作是與國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及美國(guó)佛蒙特大學(xué)、華盛頓大學(xué)等研究人員合作完成。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委青年-面上連續(xù)項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。