仿生超表面声场调控 | 应用物理前沿推介系列No.22
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本期推介
仿生学构造超表面涂料，实现对声场的任意调控
人们对自然界的探索不仅止步于观察，同时也在利用自然，可以说自然界新奇现象开展出来的仿生学的发展如火如荼。雨季来临时，细雨在荷叶上形成透明水滴，这就是众所周知的超疏水荷叶效应。研究表明，荷叶之所以能够使液滴呈现球形，是因为其表面由微粗糙结构构成的，如此导致液态的水滴在接触荷叶表面时候，形成空气/水界面从而能够汇聚液滴成球。除了其超疏水笑一个，能否将此界面通过仿生的手段引用到超声声场通讯传输应用上，也得到了科研人员的重点关注[1]。
长期以来，研究人员致力于寻找一种多功能声场器件来适应于多种不同需求场景[2-4]。利用可编程式被动超构表面实现了多种功能性声场，由于编程的需求，导致需要复杂电路环境来作为驱动手段[5]。2022年，国内研究团队受到自然界超疏水荷叶效应的启发，报道了一种纳米基元修饰固体材料（不锈钢超薄器件）实现超声声场的构建，并进一步应用于调控神经的新方案[6]。
该工作基于百纳米尺寸的二氧化硅颗粒，制备出超疏水分散液，通过对厚度仅有0.1 mm（~ λ/15, λ为工作波长）水下声学透镜进行表面化学处理，使其流固界面处稳定地存在水/空气界面（Cassie-Baxter态），从而抑制流固耦合引起的复杂物理边界条件，创造了宽频段（1-5MHz）、全角度入射情况下声波全反射条件。作者认为，构建的该种宽频、广角度的透射条件为实现水下声场调控声场调制奠定基础。
图 1. 自组装纳米颗粒仿生式构建多功能声场
该工作的另一个显著特点是物理边界条件的创建与多种功能性声场之间建立的关系。通过衍射理论重构声场传播物理边界，并图案化表面处理近零透射部分，从而构建出多种振动模式的超声场。该工作提供了三种声场的构建方式，分别为：聚焦声场、二阶涡旋场、泰伯（Talbot）自成像场。其中，实现多种声场的方式是利用化学试剂溶解喷涂的超疏水分散液。与此同时，该方式拓宽了调控声场的自由度，实现全空间维度上的声场调控，且基于该种可擦涂的表面化学处理的方式易重构多种复杂声场而不更换振源单元。
该工作进一步提供了构建的多功能声场方案的应用场景。基于共振频率为1MHz体波器件开发出低频聚焦超声刺激系统对动物体进行行为学统计分析，与现有的动物行为学研究对比，该工作中不同振动模式的超声声场可实现秀丽隐杆线虫(C.elegans)行为学刺激，，获得了秀丽隐杆线虫高灵敏（81%反转效率）的行为学响应，而不再局限于高频声表面波的刺激或是借助于微泡的稳态空化[7-8]，为实现超声神经刺激器件的集成化提供一种方案。
该工作解决了流固耦合导致的复杂物理边界引起声场调控的困难，且打破了高频超声刺激系统的局限性，对新型多种振动模式超声声场构建方式及动物体多自由度神经调控行为学的研究意义重大。未来的研究应该集中于满足“one size fits all”的器件开发上,需要更好地匹配材料与处理液的粘附条件，包括建立微观尺寸和宏观现象的对应关系，以及与生物体兼容性与安全性的考虑。此外，对于超声刺激精度需要从调制声场器件进行优化，建立高精度、广深度、多功能的应用器件。通过这些手段，有望开发出适用于高精度神经刺激的多种功能性声场的器件及临床使用。
推介人
于海滨 华中科技大学，教授，主要研究领域为非晶态材料和物理，包括金属玻璃，高熵合金，非晶态相变材料等。
参考资料
[1] L. Tong, Z. Xiong, Y.X. Shen, Y.G. Peng, X.Y. Huang, L. Ye, M. Tang, F.Y. Cai, H.R. Zheng, J.B. Xu, G.J. Cheng, X.F. Zhu, An Acoustic Meta-Skin Insulator, Adv. Mater., 2020, 32, 2002251.
[2] Z. Tian, Z. Wang, P. Zhang, T.D. Naquin, J. Mai, Y. Wu, S. Yang, Y. Gu, H. Bachman, Y. Liang, Z. Yu, T.J. Huang, Generating multifunctional acoustic tweezers in Petri dishes for contactless, precise manipulation of bioparticles, Sci. Adv., 2020, 6, eabb0494.
[3] H. Tang, Z. Chen, N. Tang, S. Li, Y. Shen, Y. Peng, X. Zhu, J. Zang, Hollow-Out Patterning Ultrathin Acoustic Metasurfaces for Multifunctionalities Using Soft fiber/Rigid Bead Networks, Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801127.
[4] A. Marzo, S.A. Seah, B.W. Drinkwater, D.R. Sahoo, B. Long, S. Subramanian, Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects, Nat. Commun., 2015, 6, 8661.
[5] Z. Tian, C. Shen, J. Li, E. Reit, Y. Gu, H. Fu, S.A. Cummer, T.J. Huang, Programmable Acoustic Metasurfaces, Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808489.
[6] P.Q. Li, Z.L. Li, W. Zhou, S. Wang, L. Meng, Y.G. Peng, Z. Chen, H. Zheng, X.F. Zhu, Generating Multistructured Ultrasound via Bioinspired Metaskin Patterning for Low-Threshold and Contactless Control of Living Organisms, Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2203109.
[7] W. Zhou, J. Wang, K. Wang, B. Huang, L. Niu, F. Li, F. Cai, Y. Chen, X. Liu, X. Zhang, H. Cheng, L. Kang, L. Meng, H. Zheng, Ultrasound neuro-modulation chip: activation of sensory neurons in Caenorhabditis elegans by surface acoustic waves Lab on a Chip, 2017, 17, 1725.
[8] S. Ibsen, A. Tong, C. Schutt, S. Esener, S.H. Chalasani, Sonogenetics is a non-invasive approach to activating neurons in Caenorhabditis elegans Nat. Commun., 2015, 6, 8264.
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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