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声学前沿动态 | 基于镂空图案的可定制多功能柔性声学超表面

导读

近日,华中科技大学光学与电子信息学院臧剑锋教授团队和华中科技大学物理学院祝雪丰团队在超薄柔性声学超表面上取得重大进展。他们创造性地提出了基于软纤维/硬颗粒复合网络的超薄声学相位薄膜,并且根据镂空图案的思想,将薄膜加工成具有连续图案变化的可定制多功能超表面。相关工作以“Hollow-out patterning ultrathin acoustic metasurfaces for multi-functionalities using soft fiber/rigid bead networks”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上.

 

背景介绍

近年来,作为超材料的一种,声学超表面逐渐成为研究热点。声学超表面拥有深度亚波长的器件厚度和非凡的声波操控性能,因此在医疗成像,声学通信,粒子操控等领域有着巨大的应用前景。目前超材料设计主要包括局域共振结构如薄膜共振器和空间扭曲超表面等。这些设计能以亚波长的器件尺度操控声波,实现诸如声吸收,隐身,非对称传输等自然界材料难以实现的神奇功能。长久以来,人们都试图把前沿的超材料或超表面真正实用化,但是这个目标仍然受制于超材料目前笨重的材料和装置,刚性的结构以及量产化的困难。所以我们急需新的材料范式和制作方法来解决这些问题。

 

创新及结论

在这里,研究团队聚合物等软材料和静电纺丝制备方法引入声学超材料设计。他们创造性地提出了基于软纤维/硬颗粒复合网络的超薄声学相位调控薄膜,并且根据中国传统镂空剪纸的思想,将薄膜加工成具有连续图案变化的可定制多功能超表面。研究者类比于弹簧振子模型,设计并实现了拥有亚微米级柔性聚合物纤维/硬质金属颗粒复合网络的薄膜。这种薄膜能使入射声波发生180度的相位改变,而其厚度只有所调控波长的1/650,实现了目前最薄的声学超表面。进一步地,他们利用激光切割的方法在薄膜上加工一系列不同的镂空图案,实现了声学涡旋,声学超振荡等一系列前沿的声学现象和应用。这种基于聚合物材料的全新设计实现了柔性的多功能定制超薄声学超表面,并且为低成本量产化超材料提供了可能。

 

图文速览

图一 超薄声学相位调控薄膜

a)弹簧-振子共振器模型示意图;
b)利用柔性聚合物纤维/刚性颗粒复合结构模拟弹簧振子共振器;
c)聚合物/颗粒复合网络示意图;
d)制作的大面积柔性声学薄膜样品照片;
e)薄膜样品表面SEM图像,比例尺为10微米;
f)薄膜样品表面细节SEM图像,比例尺1微米;
g)薄膜样品截面SEM图像,比例尺10微米;
h)刚性颗粒和聚合物纤维质量比1:1,厚度25微米的声学薄膜实验测试声透射率和透射相位变化数据图;
i)实验测试的声学薄膜不同厚度,透射率,出现180度相位变化的频率范围之间的关系图。

 

图二 不同聚合物/颗粒质量比对声学薄膜性能的影响

a-d) 不同质量比声学薄膜的透射率和透射相位数据,以及相应的薄膜SEM图像。从a到d,颗粒/聚合物质量比分别为1:8, 1:4, 1:2, 1:1。

 

图三 镂空图案化声学超表面

a)中国传统镂空剪纸;
b)激光切割三种镂空图案声学超表面示意图;
c)声场扫描装置。

 

图四 声学涡旋和费马曲线镂空超表面

a)费马曲线图案调制声学涡旋示意图;
b)费马曲线图案镂空样品;
c)在z = 8 mm处xy平面内涡旋声强度分布,仿真结果;
d)在z = 8 mm处xy平面内涡旋声强度分布,实验测试结果;
e)在z = 8 mm处xy平面内涡旋声相位分布,仿真结果;
f)在z = 8 mm处xy平面内涡旋声相位分布,实验测试结果。

 

图五 声学聚焦和条纹镂空超表面

a)条形图案调制声学聚焦示意图;
b)条形图案镂空样品;
c)xz平面内声强度分布,仿真结果;
d)xz平面内声强度分布,实验测试结果;
e)图c,d中虚线处声强度分布。

 

图六 声学超振荡和Penrose晶格镂空超表面

a)Penrose晶格图案调制声学超振荡示意图;
b)Penrose晶格图案镂空样品;
c)在z = 34 mm处,xy平面内声强度分布,仿真结果;
d)在z = 34 mm处,xy平面内声强度分布,实验测试结果;
e)图c,d中虚线处声强度分布。

 

Reference

Hollow-out patterning ultrathin acoustic metasurfaces for multi-functionalities using soft fiber/rigid bead networks, H. Tang, Z. Chen, N. Tang, S. Li, Y. Shen, Y. Peng, X. Zhu, J. Zang, Adv. Funct. Mater. 2018, 1801127.

https://doi.org/10.1002/adfm.201801127

本文由华中科技大学祝雪丰教授供稿。

 

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