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超声操控搬运与“声筛”技术取得重要进展
发布时间:2014-06-13
   

   “隔空探物”自古至今是人们梦想的神奇本领。6月11日最新一期的《应用物理评论》(Physical Review Applied)在线发表了中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣课题组与国内外合作者的研究结果,在理论和实验中实现了利用超声辐射力效应对于物体进行非接触的操控、搬运以及筛选,这使得利用声波进行一定距离的“隔空探物”成为现实。该研究论文题为《基于声子晶体的高可调声辐射力声操控技术与声筛》(Phononic Crystal Based Acoustic Sieve for Tunable Manipulations of Particles by Highly Localized Radiation Force),成果被编辑推荐为“研究亮点”和“特色研究”,已经受到国内外该领域研究同行及科普媒体的广泛关注。
  声波操控技术利用声场中的颗粒对声波产生的反射、折射、吸收等效应引起的动量在声波与颗粒之间交换,通过颗粒受到的力的作用对其进行操控。声子晶体(人工周期结构)是具有声子带隙的人造周期弹性介质结构。利用声波在不同周期结构材料中的传播规律,以及不同材料的组元及其结构对能带结构及带隙的调控机制,可以设计优化声子晶体以对声场形态进行调制,从而控制声波的传播和分布。
       在该研究中,郑海荣课题组提出通过设计制造的人工周期结构对换能器发射波束进行再调控的方法,首次利用声子晶体板兰姆波诱发的透射增强机制,产生高度局域化的声辐射力,对同种材料不同尺寸或者相同尺寸不同材料的微纳米颗粒成功地实现了捕获、排列、移动、筛选等操控。由于组成“声筛”的声子晶体板的共振频率由晶格常数和板厚等结构参数决定,因此可设计优化捕获力的激励频率以及微纳颗粒的筛选尺寸。又因为颗粒尺寸小于晶格常数,且晶格常数为兰姆波的波长,它小于同频率声波在水中的波长,所以“声筛”对微纳颗粒的操控具有亚波长特征。因此,“声筛”实现了对亚波长微纳米颗粒的可调控操控,其在生物医学工程、3D打印、催化反应和材料科学等领域具有广泛的应用前景。利用该技术研制精确可靠、成本低廉的微纳颗粒控制器件,可为研究金属、细胞、蛋白质、DNA等微纳米颗粒及其微纳结构的装配、基本力学、物理和生化特性提供重要研究手段,为用于细胞、血小板、蛋白质等生物颗粒筛选的新型生化分析仪器的研制提供新操控技术支持。
       深圳先进院的李飞和蔡飞燕博士为共同第一作者,郑海荣研究员为通讯作者。该工作是与国内武汉大学、同济大学以及美国佛蒙特大学、华盛顿大学等研究人员合作完成。相关工作得到了国家自然科学基金委青年-面上连续项目、国家杰出青年基金等项目的资助。

 

 

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