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  近日, 加拿大西安大略大學(xué)楊軍教授（目前在電子科大深圳高等研究院工作）課題組、中科院化學(xué)所宋延林團(tuán)隊(duì)、青島大學(xué)趙勝東等合作發(fā)現(xiàn)了荷葉等自然界中的超疏水結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)水氣間聲波透射的新效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，頻率約為28 kHz的聲波透過(guò)倒扣在水面上的荷葉時(shí)，聲能透射可增強(qiáng)400倍以上，并允許聲波寬角度透射。通過(guò)構(gòu)建人工超疏水結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)了此增透效應(yīng)，并設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控其工作頻率。此超表面可以用于聲吶跨越水氣界面的探測(cè)、通訊、成像等，在水聲學(xué)、通信工程、海洋生物學(xué)等研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

圖1. 荷葉透聲新效應(yīng)及模擬結(jié)果展示

  水上和水下的通訊對(duì)于海洋資源勘探、聲吶成像和探測(cè)等具有十分重要的意義。在空氣中，雖然電磁波和聲波都可作為載體來(lái)傳播信息，然而，由于電磁波在水中衰減很快，水中的通訊通常依靠聲波來(lái)進(jìn)行。然而，當(dāng)聲波遇到水面時(shí)，只有約0.1%的能量能夠透射，絕大部分都反射掉了，因此水氣界面是聲波傳輸中難以逾越的屏障。目前水氣間的聲波傳輸研究面臨的挑戰(zhàn)有：（1）水氣界面具有不穩(wěn)定性，很多聲學(xué)材料在水面上構(gòu)建時(shí)，需考慮除聲學(xué)性能外的很多因素。（2）聲學(xué)超材料具有亞波長(zhǎng)共振的特點(diǎn)，其工作頻率大多在10 kHz以下，處于聲吶工作頻率范圍內(nèi)的（10-100 kHz）聲波透射還未實(shí)現(xiàn)，限制了其應(yīng)用。（3）水氣界面處聲吶工作頻率處的寬角度透射還未實(shí)現(xiàn)。因此，聲吶工作頻率范圍內(nèi)的水氣界面聲波透射仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  近年來(lái)，作者利用疏水或超疏水結(jié)構(gòu)在水中捕獲陣列化的氣泡結(jié)構(gòu)，研究其聲學(xué)性質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)了多種聲學(xué)應(yīng)用，發(fā)展了“超疏水聲學(xué)”。比如，受超疏水結(jié)構(gòu)啟發(fā)創(chuàng)建氣泡陣列，用于聲學(xué)反射超表面來(lái)增強(qiáng)水下聲波反射（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 12, 1757），疏水結(jié)構(gòu)在水面附近處捕獲的氣泡，創(chuàng)建聲學(xué)透射超表面（Research 2021, 2021, 9757943），三維疏水結(jié)構(gòu)制備氣泡聲子晶體并研究其帶隙性質(zhì)（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）等。最近，他們證明了荷葉等超疏水結(jié)構(gòu)漂浮在水面上時(shí)，其形成的微米級(jí)的氣層可以用于水氣聲波透射，可以克服目前水氣界面聲波傳輸?shù)碾y題。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：“荷葉超表面”的構(gòu)建及原理

  雖然荷葉的“荷葉效應(yīng)”已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了一百多年，然而其超疏水效應(yīng)而產(chǎn)生的聲學(xué)效應(yīng)卻很少被報(bào)道。此荷葉聲學(xué)透射超表面的構(gòu)建十分簡(jiǎn)單，即直接把荷葉倒扣在水面上（圖2a）。由于荷葉的超疏水性（圖2b-c），在荷葉表面和水層之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微米級(jí)厚度的空氣層（圖2d），激光共聚焦測(cè)量顯示，此空氣層的厚度大概為20 μm（圖2e-g）。這樣在水面上就形成了一個(gè)以空氣層為彈簧，以荷葉自身質(zhì)量為振子的彈簧振子系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，此彈簧振子的共振頻率處，水氣間的聲波透射可以得到數(shù)百倍的增強(qiáng)（圖2h-j）。他們還分析了荷葉結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)，發(fā)現(xiàn)其為荷葉自身振動(dòng)模態(tài)和彈簧振子系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)的疊加。在荷葉本征頻率附近，并不具有聲波透射增強(qiáng)效果，因而其透射曲線上會(huì)有很多斷點(diǎn)（圖2i）。通過(guò)推導(dǎo)分析解，他們解釋了這一現(xiàn)象，并通過(guò)有限元模擬證明，通過(guò)增大荷葉的模量可以消除這些斷點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)上，他們驗(yàn)證了荷葉的透聲效應(yīng)。

圖2. 荷葉聲學(xué)透射超表面的結(jié)構(gòu)及聲學(xué)增透性質(zhì)

要點(diǎn)二：人工超疏水結(jié)構(gòu)重現(xiàn)聲學(xué)增透效應(yīng)

  荷葉具有季節(jié)依賴(lài)性、結(jié)構(gòu)脆弱性、物理參數(shù)難以調(diào)控等弱點(diǎn)。而且，其自身本征振動(dòng)會(huì)對(duì)增強(qiáng)效果產(chǎn)生不良影響，因此尋找替代性人工材料具有重要的實(shí)用價(jià)值。為此，他們選用了超疏水鋁片。首先，鋁的模量比荷葉大五個(gè)數(shù)量級(jí)以上，可以忽略自身振動(dòng)模態(tài)對(duì)透射效果的影響。其次，鋁片的可加工性很強(qiáng)，可以靈活地改變自身質(zhì)量和表面疏水微結(jié)構(gòu)，從而靈活調(diào)控工作頻率。作者分別用激光刻蝕、濕法刻蝕和噴涂發(fā)制備了不同的超疏水結(jié)構(gòu)，展示了其在不同頻率下的增透效果。結(jié)果如圖3所示，當(dāng)超疏水結(jié)構(gòu)面朝向水時(shí)，可捕獲氣層形成超表面，其聲壓透射為600 mPa，當(dāng)不存在鋁片或者超疏水面背向水時(shí)，無(wú)法捕獲氣層來(lái)構(gòu)成超表面，聲壓透射為40 mPa，表明了超疏水效應(yīng)引起的聲學(xué)增透效果。

圖3. 構(gòu)建人工超疏水結(jié)構(gòu)重現(xiàn)其聲學(xué)增透效應(yīng)

要點(diǎn)三：超表面的聲波寬角度增透性質(zhì)

  作者還證明，此超表面具有允許聲波從水向空氣的寬角度透射的特點(diǎn)。其寬角度透射增強(qiáng)是源于水氣間較小的全反射臨界角（約13.6°）。聲波從水中以不同角度向空氣中入射時(shí)，根據(jù)斯涅耳折射定律，其通過(guò)微米氣層的路徑并沒(méi)有大的改變，聲波相位改變沒(méi)有發(fā)生大的變化，因而對(duì)工作頻率和增透效果并沒(méi)有太大的影響。如圖3c-d所示，他們使用了水下聲源其入射角度從0到75°，和沒(méi)有超表面對(duì)比(圖3e-f)，總體依然顯示了較好的聲波透過(guò)性能。

圖4. 聲學(xué)超表面的寬角度入射展示

要點(diǎn)四：未來(lái)應(yīng)用前景展示

  在實(shí)用方面，由于此超表面位于水面上，所以通常影響水下超疏水結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，比如水壓、空氣溶解性和水溫等，對(duì)此超表面幾乎沒(méi)有影響。唯一需要注意的是，此超表面需要結(jié)構(gòu)可以自發(fā)地漂浮在水面上，所以構(gòu)成此超表面的固體密度不能過(guò)大。作者考慮疏水作用力，浮力和重力等，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件。作者還做了此超表面未來(lái)的潛在應(yīng)用展示（圖5）。首先，此超表面可以用于機(jī)載聲音傳感器系統(tǒng)對(duì)水下物體進(jìn)行檢測(cè)和成像。在通常情形下，約 99.9% 的聲能會(huì)直接被水-空氣界面反射，因此不可能從空氣中對(duì)水下物體進(jìn)行成像。使用此超表面，有望實(shí)現(xiàn)在空氣中對(duì)水下物體（圖 5a-c），如魚(yú)群等進(jìn)行成像，并在黑匣子電池耗盡時(shí)對(duì)其進(jìn)行水下成像（圖 5c）。此外，此超表面還可以用于在空氣中監(jiān)測(cè)黑匣子信號(hào)（圖 5d），例如，馬航 370 航班的黑匣子以 37.5 kHz 的頻率持續(xù)向周?chē)l(fā)射約一個(gè)月的信號(hào)。對(duì)于聲納通信，此超表面可實(shí)現(xiàn)水下物體與水面物體之間的通信，以及實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作（圖5e）。最后，來(lái)自海洋勘探、海洋石油平臺(tái)等的人為噪聲會(huì)在水面和海底之間反射，從而傳播很遠(yuǎn)的距離影響海洋生物。而此超表面可以在第一次反射時(shí)，就把聲波傳播到空氣中來(lái)降低這些噪聲以保護(hù)海洋生物（圖 5g)。

圖5. 聲學(xué)超表面的潛在應(yīng)用展示

  相關(guān)研究論文以“Lotus metasurface for wide-angle intermediate-frequency water-air acoustic transmission”為題發(fā)表在期刊 ACS Applied Materials & Interface上（ACS Applied Materials & Interfaces DOI: 10.1021/acsami.1c16043）。論文的第一作者為加拿大西安大略大學(xué)博士后黃占東和中科院化學(xué)博士生趙志鵬，通訊作者是青島大學(xué)趙勝東副教授、加拿大西安大略大學(xué)楊軍教授，中科院化學(xué)所李會(huì)增博士和宋延林研究員。此工作受到了中科院聲學(xué)研究所青島分所的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幫助。

  文章網(wǎng)址：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c16043