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中科院化学所宋延林研究员课题组在水下声学反射超表面研究取得重要进展
2019-12-25  来源:高分子科技

  随着人类对海洋资源的充分利用,水下通讯变得越来越重要。由于电磁波在水中衰减的很快,而水中通讯只能依靠声波来进行,因此控制声音在水中的传播具有重要的意义。水中隔音对于抑制海洋噪音污染,保护海洋生物具有重要的意义。然而,由于空气和水的声学阻抗的差异,一些在空气中常用的隔音材料在水中的效果会大打折扣。而传统的质量作用理论要求物体的尺寸要与所阻挡声波的波长相当,这使低频区域声波的阻隔变得十分困难,因而水中低频声波的调控是一个长期的难题。

  水中的气泡作为一种最简单的声学超材料,具有独特的声学性质。1933年,荷兰科学家Marcel Minnaert 提出了气泡的Minneart共振现象,指出了气泡的共振频率对应的声波波长是其半径的近500倍,因此可实现低频声波的调控。更有理论指出,如果能把气泡在水中做成三维晶格排列,它将具有目前最宽的低频声波带隙,这在低频宽带的声波调控方面具有重要应用。然而,由于气泡浮力作用及流体不稳定性,水中气泡的可控性制备一直是一个难题。

  宋延林研究员课题组多年来专注于液滴、气泡等流体图案化的调控及应用。实现了气泡的反奥斯瓦尔德熟化控制和图案化制备(Nat. Commun. 2017, 8,14110)。并提出了水/气/油等任意不相容流体间的图案化控制理论(Adv. Mater. 2018, 30(31), 1802172)。最近,他们把气泡调控应用于声波调控中,第一次从实验上测出了三维气泡晶体的声子带隙(Adv. Funct. Mater. 2019, 1906984)。在这些研究基础上,他们受自然界生物捕获气泡的启发,提出了控制Cassie态(非浸润)和Wenzel态(浸润)交替出现的方法,更方便地制备从微米级到毫米级的图案化气泡,并用于声学反射超表面的制备,其在水下声学探测、水下隔音等方面具有重要的意义。

  如图1所示,他们提出了利用固体表面微米结构来控制Wenzel态和Cassie态交替出现的方法来制备图案化的气泡。通过理论分析,他们得出了水滴在固体表面从Cassie态转变为Wenzel态的临界压力和固体表面结构的关系。通过精细调控固体表面的结构,就可以精确地调控固体表面上每一处是否被液体浸润。液体浸润的地方为水,非浸润的区域为气泡。通过设计微结构的距离和排列,就可以精确地调控气泡的位置、大小和形貌。

图1。 Wenzel态和Cassie态交替出现实现图案化气泡的调控

  根据气泡的Minneart共振方程,不同大小的气泡对应不同的共振频率。而气泡间距影响着气泡之间的共振耦合作用。因此,通过调控气泡的大小和间距,他们实现了声波从9 kHz到1.7 MHz范围的调控。而且,由于气泡受到微结构的约束,不必保持球形,通过扁平化气泡的制备,其作用声波波长能到其气泡高度的3333倍,这远远大于Minneart共振效应所对应的500倍,因此可以制备比传统更薄的反射超表面。

  图2 是声学反射超表面的全波模拟展示,在没有气泡的情形下,60%的声波能量可以透过样品。然而,一层高度为50 um、体积分数仅为3%的气泡,就可以使其透过率降低到小于0.2%。他们还证明了通过多层气泡的叠加,可以实现宽频声波的隔音。以透过率低于1%为界,他们指出,四层气泡的带隙宽度是单层气泡的30倍,因此可以用于宽频声波的隔音应用。

图2. 图案化的气泡用于声学反射超表面

  此研究在水中噪音控制,保护海洋环境方面具有重要意义。另外,其声波的全反射作用有利于提高水下声波探测灵敏度。比如,飞机失事后,其黑匣子在其电池耗尽后,只能靠声呐去寻找。而表面的这层气泡能够增强特定频率的反射,使黑匣子就像黑夜中的一面镜子一样,在遇到光照时,比较容易被探测到。

  此论文发表在ACS Applied Materials&Interface (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b15683)上。论文的第一作者为中科院化学所黄占东博士,目前为西安大略大学杨军教授课题组博士后,共同第一作者为青岛大学的赵胜东博士,通讯作者中科院化学研究所宋延林研究员

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