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　　摘要聲學(xué)微納操控是為滿足對(duì)微納作動(dòng)功能的最新需求而出現(xiàn)的一種作動(dòng)新方法。它利用聲波的各種物理效應(yīng)對(duì)微納尺度的固體、液滴、氣飽與軟物質(zhì)進(jìn)行受控操縱。本論文在給出聲學(xué)微納操控方法的出現(xiàn)背景與研究現(xiàn)狀后，對(duì)其主要工作原理進(jìn)行總結(jié)與點(diǎn)評(píng)，在給出最新研究進(jìn)展的幾個(gè)實(shí)例后，指出該方法的應(yīng)用前景及其在發(fā)展過(guò)程中尚需解決的重要問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞聲，換能器，物理效應(yīng)，微納操控

　　1.引言

　　隨著生物醫(yī)學(xué)、微納米制造、納米科技、材料工程、新能源和環(huán)保等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)微納尺度物體進(jìn)行操縱的要求越來(lái)越多，這些操縱包括捕捉、定向、轉(zhuǎn)移、釋放、分類、旋轉(zhuǎn)、清除、聚集與組裝等等。這些操縱功能大部分都不能用傳統(tǒng)作動(dòng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)或高效完成，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)作動(dòng)技術(shù)在驅(qū)動(dòng)形式與工作原理上的選擇性比較小，其器件的結(jié)構(gòu)形式一般是面向宏觀物體的作動(dòng)。

　　相關(guān)期刊推薦：《聲學(xué)技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，是中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所東海研究站、同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所、上海市聲學(xué)學(xué)會(huì)和中船重工集團(tuán)公司第726研究所合辦的學(xué)術(shù)性刊物。主要刊登：超聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)、電聲學(xué)、水聲學(xué)、海洋聲學(xué)技術(shù)、建筑聲學(xué)、噪聲控制、生理和心理聲學(xué)、聲信號(hào)處理、換能器和聲系統(tǒng)等。凡有關(guān)上述專業(yè)內(nèi)容的科研論文、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、綜述評(píng)論、研制總結(jié)、使用經(jīng)驗(yàn)等等。

　　為了實(shí)現(xiàn)微納操控功能，不同領(lǐng)域的研究者提出并研究了各種不同的方法。這些方法依據(jù)它們物理原理的不同，可以分為光學(xué)、磁、電、機(jī)械、原子力顯微鏡、微流體和聲學(xué)等方式[1]-[3]。聲學(xué)微納操控方法利用聲波的物理效應(yīng)來(lái)操縱微納尺度固體顆粒、液滴、氣泡和軟物質(zhì)。它具有對(duì)操控樣品的材料特性無(wú)選擇性、幾乎沒(méi)有溫升損害(納米操控中)、操控功能多樣、裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊以及操控基板無(wú)需設(shè)有微溝道等優(yōu)點(diǎn)。微納操控中使用的聲波頻率可在超聲范圍(>20kHz)，也可在音頻或者次聲范圍。

　　在聲學(xué)微操控方面比較成熟的方法是利用駐波聲場(chǎng)對(duì)微物體的捕捉，該方法最早出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代。歐盟的研究團(tuán)隊(duì)已將相關(guān)器件用于細(xì)胞紅外光譜分析儀的細(xì)胞聚集定位單元、流體中微顆粒的過(guò)濾與分離如紅細(xì)胞分離以及燃煤廢氣的過(guò)濾等方面[4][5]。另一項(xiàng)較為成熟的聲學(xué)微操控方法是由我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)提出的利用聚焦聲場(chǎng)對(duì)微小物體進(jìn)行懸浮與捕捉的方法[6]，該方法已成功應(yīng)用于材料的非接觸式加工中。傳統(tǒng)的聲學(xué)微操控方法利用聲輻射力對(duì)微物體進(jìn)行作動(dòng)。但近幾年國(guó)內(nèi)外的研究工作表明：除了聲輻射力以外，其它的超聲物理效應(yīng)如固體振動(dòng)板節(jié)點(diǎn)周圍的局部行波、Chladni效應(yīng)以及聲致液體分子間平均引力的減少等也可以用于微物體的操控[2]。

　　聲學(xué)納操控是在最近幾年才出現(xiàn)的一種新的微納操控方法，目前它主要利用聲學(xué)微渦流獲得操控力[2]。本文作者的研究團(tuán)隊(duì)在2012年提出了利用聲學(xué)微渦流對(duì)溶液中的納米線進(jìn)行受控捕捉、定位、定向與移動(dòng)的方法[7]，并在隨后的幾年中利用聲學(xué)微渦流，實(shí)現(xiàn)了納米線的受控旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、各種納米物體的受控聚集等納操控功能[8]-[11]。在受控聲學(xué)納操控方面，美國(guó)同行曾在2014年提出利用聲學(xué)渦流對(duì)液體中納米線進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)的方法[12]。

　　2.工作原理及點(diǎn)評(píng)

　　聲學(xué)微納操控方法所利用的聲波物理效應(yīng)包括聲輻射力、聲學(xué)流、基于行波振動(dòng)的摩擦驅(qū)動(dòng)、Chladni效應(yīng)、聲空化、Bjerknes力以及聲致分子間引力減弱等[2]。目前，聲輻射力和聲學(xué)流是聲學(xué)微納操控中使用最廣泛的兩種物理效應(yīng)。

　　聲輻射力主要用來(lái)操控微尺度物體，可由駐波[13]，聚焦聲束[6]和近場(chǎng)行波[2]產(chǎn)生。駐波可由輻射面-反射結(jié)構(gòu)或者SAW(聲表面波)裝置產(chǎn)生。由駐波產(chǎn)生的聲輻射力可以將聲場(chǎng)中的微米物體推至聲壓節(jié)點(diǎn)(或反節(jié)點(diǎn))處并使其聚集。利用駐波聚集多個(gè)微米物體的方法效果顯著，然而駐波方法不適合于操控單個(gè)微小物體，也不適于實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的操控功能比如微小部件組裝。聚焦聲束方法利用聚焦超聲波的焦點(diǎn)來(lái)捕捉單個(gè)或多個(gè)微米物體?？赏ㄟ^(guò)移動(dòng)發(fā)出超聲波的換能器，實(shí)現(xiàn)被捕捉微米物體的位置轉(zhuǎn)移。然而由于非接觸式工作原理，被捕捉微物體的穩(wěn)定性低，且在焦點(diǎn)處的強(qiáng)超聲波會(huì)導(dǎo)致溫度升高并損害生物樣本或其他溫度敏感試樣。近場(chǎng)行波方法利用面內(nèi)振動(dòng)輻射面附近的聲場(chǎng)空間梯度，產(chǎn)生聲輻射力以吸引微物體到輻射面處。這種方法能捕捉單個(gè)或多個(gè)微米物體，并且被捕捉試樣的穩(wěn)定性也更高。但用這種方法捕捉的濕軟試樣可能會(huì)粘在微操控探針上，而從探針上受控釋放這些試樣仍然是個(gè)難題。近場(chǎng)行波方法中的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何降低操控部的升溫。

　　聲學(xué)納操控所需的操控力由聲學(xué)流產(chǎn)生，現(xiàn)階段幾乎所有聲學(xué)納操控都依賴聲學(xué)流[2][14][15]。聲學(xué)流可以由聲場(chǎng)中雷諾應(yīng)力的空間梯度、聲場(chǎng)的二階聲壓、聲學(xué)氣泡的坍縮或者微操縱探針的橢圓運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生。已實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)納操縱功能包括對(duì)去離子水中單根納米線的捕捉、定向、定位、轉(zhuǎn)移和旋轉(zhuǎn)，以及去離子水中納米線與納米顆粒的聚集。在聲學(xué)納操控中，操控區(qū)的溫度升高通常很低，可以低于0.1℃。這個(gè)特性使得聲學(xué)納操控技術(shù)在處理生物樣品以及溫度敏感樣品時(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)力。在聲學(xué)納捕捉中，被捕捉的納尺度物體與微操縱探針可以是接觸式或非接觸式。聲學(xué)納聚集可以在超聲振動(dòng)臺(tái)上的水滴中實(shí)現(xiàn)，或者由懸于靜止基板上方聲學(xué)針?biāo)ふ竦乃ぶ袑?shí)現(xiàn)。為了提高裝置的操控性能，需要對(duì)裝置中的聲學(xué)流場(chǎng)分布進(jìn)行定量分析并把握其變化規(guī)律，探索微操控探針和基板的振動(dòng)控制方法。

　　在基于行波振動(dòng)的摩擦驅(qū)動(dòng)方法中，利用固體表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)基板表面上的微物體。該方法可應(yīng)用在微顆粒的輸送與分離以及微小機(jī)械部件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)中[2]。在Chladni效應(yīng)下，振動(dòng)彈性體表面與顆粒之間的撞擊被用來(lái)驅(qū)動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)到振動(dòng)表面上的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處。Chladni效應(yīng)在基于圍繞振動(dòng)節(jié)點(diǎn)的周向行波的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)中，能提供定位力。聲空化是超聲波的一種廣為人知的物理效應(yīng)，可以在液體聲場(chǎng)中產(chǎn)生微小氣泡。它在微納操控方面已有的應(yīng)用包括增大細(xì)胞孔隙和在溶液中分散微納米顆粒等。Bjerknes力是一種作用在振動(dòng)氣泡上的特殊的聲輻射力，這種力可以應(yīng)用在聚集液體中的微米顆粒。無(wú)論是否有聲空化發(fā)生，液體中的聲學(xué)振動(dòng)可以導(dǎo)致分子間引力(例如液體分子間VanderWalls力)的減弱。這個(gè)效應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)微流體和微液滴融合等方面[2]。相對(duì)于聲輻射力與聲學(xué)流，這些物理效應(yīng)仍然沒(méi)有被深入與全面地探究，但它們?cè)谖⒓{米操控中確有著巨大的潛力。

　　3.聲學(xué)微納操控方面最新研究工作的實(shí)例

　　長(zhǎng)期以來(lái)，穩(wěn)定捕捉空氣中高密度微尺度物體是聲學(xué)操控中的一個(gè)難題，主要原因是無(wú)法解決如何在微尺度物體上產(chǎn)生足夠大的聲輻射力這一問(wèn)題。作者的研究團(tuán)隊(duì)最近提出了一種可以穩(wěn)定捕捉空氣中微米金屬線的聲學(xué)鉗，并利用該聲學(xué)鉗穩(wěn)定地捕捉了空氣中直徑40μm、長(zhǎng)1~14mm的單根微米銅線。該聲學(xué)鉗由一根端部扁平而且彎曲的超聲針和一個(gè)勵(lì)振用夾心式換能器構(gòu)成(如圖1(a)所示)，工作在45.8kHz，利用超聲針端部扭彎振動(dòng)產(chǎn)生的行波近場(chǎng)，捕捉端部附近的微米銅線(如圖1(b)所示)。該聲學(xué)鉗目前存在著捕捉部的溫升較高以及勵(lì)振換能器體積較大等問(wèn)題，需進(jìn)一步研究解決。

　　納尺度物體的聚集在納米材料自組裝和高感度傳感等方面有著巨大的應(yīng)用前景。作者的研究團(tuán)隊(duì)最近提出了一種利用超聲臺(tái)聚集水溶液中納尺度物質(zhì)的方法，該方法通過(guò)控制超聲臺(tái)的振型并利用超聲臺(tái)上液滴中的聲學(xué)微渦流，把納米線或納米顆粒聚集到超聲臺(tái)的中央并形成圓形的聚集斑點(diǎn)(圖2)。圖2的實(shí)驗(yàn)中，超聲臺(tái)由銅基板和粘結(jié)于基板背面的壓電圓環(huán)構(gòu)成，工作頻率為31kHz，做中心對(duì)稱的彎曲振動(dòng)，液滴由直徑400nm的SiC納米顆粒和去離子水構(gòu)成，聚集斑點(diǎn)的直徑可通過(guò)改變?nèi)芤簼舛群吐曁幚頃r(shí)間進(jìn)行控制，目前可達(dá)數(shù)毫米。需要使用振動(dòng)基板限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用范圍，因此目前正在研究基于非振動(dòng)基板與聲學(xué)針組合的納米聚集方法。

　　4.應(yīng)用前景與未來(lái)的研究

　　聲學(xué)微納操控是超聲學(xué)的一個(gè)新興領(lǐng)域，它為微納尺度物體的作動(dòng)提供了一個(gè)新方法。雖然該方法在生物醫(yī)藥、微納制造、納米科技、材料工程、新能源和環(huán)保等領(lǐng)域中有著非常巨大的潛在應(yīng)用，但目前在工作新原理、操控功能多樣化以及相關(guān)換能器高性能化等方面，仍有大量的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題需解決。這些問(wèn)題的解決主要涉及到下列幾方面：聲場(chǎng)及其聲學(xué)非線性效應(yīng)的控制;超聲換能器的振動(dòng)控制;新的超聲物理效應(yīng)的探索。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

　　人類在宏觀物體的作動(dòng)方面(如各類電磁馬達(dá)、氣動(dòng)裝置和液壓驅(qū)動(dòng)裝置等)，已有100多年的研究與開發(fā)歷史，相關(guān)的理論與方法相對(duì)成熟。但在微觀物體的作動(dòng)(如微納尺度物體操控)方面，研究歷史相對(duì)來(lái)說(shuō)還很短，還有大量的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題需要探索和解決。超聲微納操控提供了一種利用聲波(機(jī)械波)的物理效應(yīng)對(duì)微納尺度物體進(jìn)行操縱的新方法，對(duì)它的深入研究必將強(qiáng)化人類對(duì)微觀世界的研究能力與利用能力，并有力推動(dòng)物理聲學(xué)的發(fā)展。