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華科大祝雪豐、楊光/ 深圳先進(jìn)院鄭海榮 Nat. Commun. : 堅(jiān)固的超疏水聲學(xué)透鏡用于聲學(xué)聚焦及成像應(yīng)用
2023-09-02  來源：高分子科技

  近日，華中科技大學(xué)物理學(xué)院祝雪豐教授團(tuán)隊(duì)、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊光教授團(tuán)隊(duì)以及深圳先進(jìn)院鄭海容研究員團(tuán)隊(duì)以細(xì)菌纖維素（BC）為基材，使用同相擴(kuò)散法，設(shè)計(jì)了一種具有穩(wěn)定超疏水性能的纖維素基超疏水薄膜材料，具有超薄、超輕、生物可降解等特點(diǎn)。利用這種材料，研究者們?cè)O(shè)計(jì)制造出超薄（~20 μm）、超輕（< 20 mg）的芯片級(jí)聲學(xué)器件。相關(guān)研究成果以“Decorated bacteria-cellulose ultrasonic metasurface”為題發(fā)表在期刊Nature Communications。華中科技大學(xué)的李宗霖（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院客座博士生）和陳坤、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的李飛為文章的第一作者。


  聲學(xué)超材料(Acoustic metamaterials)是當(dāng)下聲學(xué)研究前沿最為流行的領(lǐng)域，將一些光學(xué)、微波物理乃至凝聚態(tài)物理的概念引入聲學(xué)，并與人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙地結(jié)合在一起，其獨(dú)特之處在于能夠?qū)Σǖ南辔弧?/span>振幅進(jìn)行完全控制，產(chǎn)生想獲得的物理場。得益于聲學(xué)天然的學(xué)科交叉屬性與豐富的應(yīng)用背景，聲學(xué)超材料的概念一經(jīng)提出，就被認(rèn)為在理論研究與實(shí)際應(yīng)用中都具有良好的探索前景。


研究亮點(diǎn)：


  這一工作提出了一種獨(dú)特的二氧化硅納米粒子修飾細(xì)菌-纖維素(BC)元皮膚，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境中纖維素基剪紙功能超材料。BC元皮膚具有與SiO2納米顆粒結(jié)合的三維纖維網(wǎng)絡(luò)，具有優(yōu)異的超疏水性和強(qiáng)大的穩(wěn)定性。例如，在水中浸泡200天以上的元表面上水滴的接觸角(CA)仍然大于150°。此外，BC元皮膚是超薄和超輕的，厚度僅為20 μm，一片芯片級(jí)薄膜(1×1cm2)的重量僅為7.6 mg。纖維結(jié)構(gòu)具有有趣的細(xì)菌修復(fù)能力，使BC元皮膚成為生物活性超材料的獨(dú)特候選者。他們發(fā)現(xiàn)BC元皮非常適合用于剪紙，可以通過激光切割技術(shù)對(duì)其進(jìn)行精細(xì)加工，產(chǎn)生復(fù)雜的鏤空?qǐng)D案，精度可達(dá)~10 μm。先前的超材料剪紙研究主要集中在創(chuàng)造具有獨(dú)特機(jī)械和/或形態(tài)響應(yīng)的材料和/或結(jié)構(gòu)。然而，由于BC元皮膚的納米表面存在穩(wěn)定的casse - baxter狀態(tài)(即微尺寸的空腔)，非滲透性纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部容納大量空氣，不僅使元皮膚具有較小的彈性模量和密度，而且還導(dǎo)致與水形成巨大的聲阻抗，物理上相當(dāng)于“軟邊界”。在這種情況下，深亞波長厚度的剪紙BC元表面(即圖案軟邊界)可以被視為一類新的聲學(xué)超表面，可以提供復(fù)雜和完全的傳輸聲場調(diào)制。~10 μm精度的超聲調(diào)制實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，如高質(zhì)量的聲全息、3D超聲鑷子和完美聚焦，在控制高頻(>5 MHz)超聲場剖面方面尤為重要。


圖1：細(xì)菌-纖維素超聲超表面的制備和性能表征。


圖2：剪裁加工的非局域全息超透鏡及其復(fù)雜全息聲場。


圖3：剪裁加工的成像超透鏡及其遠(yuǎn)場高分辨二維、三維超聲脈沖-回波成像。


  該工作報(bào)告了裝飾BC的元皮膚與剪紙相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)超薄和超輕的芯片級(jí)多功能超聲設(shè)備。把設(shè)計(jì)的超材料和超聲脈沖回波相結(jié)合BC元皮膚剪紙實(shí)現(xiàn)了高精度(~10 μm)超聲波束的全振幅調(diào)制。他們先后實(shí)現(xiàn)了兩種超輕(< 20mg)級(jí)芯片級(jí)超聲器件，即全息元透鏡和三維成像元透鏡。多孔結(jié)構(gòu)元透鏡的非局部耦合產(chǎn)生了聲全息圖，這對(duì)全息超聲鑷的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。同心縫結(jié)構(gòu)超聲元透鏡可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場物體的高分辨率三維回波成像。該方法兼容高頻功能二維器件和折紙/基疊技術(shù)，對(duì)推動(dòng)納米/微超聲超材料在先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)中的應(yīng)用具有重要意義。


  華中科技大學(xué)的祝雪豐與楊光、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的鄭海榮為本文的通訊作者，該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)等項(xiàng)目的支持。


  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41172-2

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