深圳先進院等實現超聲操控搬運與“聲篩”技術

　　“隔空探物”自古至今是人們夢想的神奇本領。6月11日最新一期的《應用物理評論》（Physical Review Applied）在線發表了中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮課題組與國內外合作者的研究結果，在理論和實驗中實現了利用超聲輻射力效應對于物體進行非接觸的操控、搬運以及篩選，這使得利用聲波進行一定距離的“隔空探物”成為現實。該研究論文題為《基于聲子晶體的高可調聲輻射力聲操控技術與聲篩》（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”和“特色研究”，已經受到國內外該領域研究同行及科普媒體的廣泛關注。

　　聲波操控技術利用聲場中的顆粒對聲波產生的反射、折射、吸收等效應引起的動量在聲波與顆粒之間交換，通過顆粒受到的力的作用對其進行操控。聲子晶體（人工周期結構）是具有聲子帶隙的人造周期彈性介質結構。利用聲波在不同周期結構材料中的傳播規律，以及不同材料的組元及其結構對能帶結構及帶隙的調控機制，可以設計優化聲子晶體以對聲場形態進行調制，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設計制造的人工周期結構對換能器發射波束進行再調控的方法，首次利用聲子晶體板蘭姆波誘發的透射增強機制，產生高度局域化的聲輻射力，對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現了捕獲、排列、移動、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和板厚等結構參數決定，因此可設計優化捕獲力的激勵頻率以及微納顆粒的篩選尺寸。又因為顆粒尺寸小于晶格常數，且晶格常數為蘭姆波的波長，它小于同頻率聲波在水中的波長，所以“聲篩”對微納顆粒的操控具有亞波長特征。因此，“聲篩”實現了對亞波長微納米顆粒的可調控操控，其在生物醫學工程、3D打印、催化反應和材料科學等領域具有廣泛的應用前景。利用該技術研制精確可靠、成本低廉的微納顆粒控制器件，可為研究金屬、細胞、蛋白質、DNA等微納米顆粒及其微納結構的裝配、基本力學、物理和生化特性提供重要研究手段，為用于細胞、血小板、蛋白質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支持。

　　深圳先進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。該工作是與國內武漢大學、同濟大學以及美國佛蒙特大學、華盛頓大學等研究人員合作完成。相關工作得到了國家自然科學基金委青年-面上連續項目、國家杰出青年基金等項目的資助。

技術示意圖