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  近日, 加拿大西安大略大學楊軍教授（目前在電子科大深圳高等研究院工作）課題組、中科院化學所宋延林團隊、青島大學趙勝東等合作發(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的聲波透過倒扣在水面上的荷葉時，聲能透射可增強400倍以上，并允許聲波寬角度透射。通過構(gòu)建人工超疏水結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)了此增透效應(yīng)，并設(shè)計微結(jié)構(gòu)來調(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、通訊、成像等，在水聲學、通信工程、海洋生物學等研究領(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于海洋資源勘探、聲吶成像和探測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進行。然而，當聲波遇到水面時，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，很多聲學材料在水面上構(gòu)建時，需考慮除聲學性能外的很多因素。（2）聲學超材料具有亞波長共振的特點，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挑戰(zhàn)。

  近年來，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)，研究其聲學性質(zhì)，并實現(xiàn)了多種聲學應(yīng)用，發(fā)展了“超疏水聲學”。比如，受超疏水結(jié)構(gòu)啟發(fā)創(chuàng)建氣泡陣列，用于聲學反射超表面來增強水下聲波反射（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，其形成的微米級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

要點一：“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)生的聲學效應(yīng)卻很少被報道。此荷葉聲學透射超表面的構(gòu)建十分簡單，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產(chǎn)生一個微米級厚度的空氣層（圖2d），激光共聚焦測量顯示，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（圖2h-j）。他們還分析了荷葉結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)，發(fā)現(xiàn)其為荷葉自身振動模態(tài)和彈簧振子系統(tǒng)振動模態(tài)的疊加。在荷葉本征頻率附近，并不具有聲波透射增強效果，因而其透射曲線上會有很多斷點（圖2i）。通過推導分析解，他們解釋了這一現(xiàn)象，并通過有限元模擬證明，通過增大荷葉的模量可以消除這些斷點。在實驗上，他們驗證了荷葉的透聲效應(yīng)。

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

要點二：人工超疏水結(jié)構(gòu)重現(xiàn)聲學增透效應(yīng)

  荷葉具有季節(jié)依賴性、結(jié)構(gòu)脆弱性、物理參數(shù)難以調(diào)控等弱點。而且，其自身本征振動會對增強效果產(chǎn)生不良影響，因此尋找替代性人工材料具有重要的實用價值。為此，他們選用了超疏水鋁片。首先，鋁的模量比荷葉大五個數(shù)量級以上，可以忽略自身振動模態(tài)對透射效果的影響。其次，鋁片的可加工性很強，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，當超疏水結(jié)構(gòu)面朝向水時，可捕獲氣層形成超表面，其聲壓透射為600 mPa，當不存在鋁片或者超疏水面背向水時，無法捕獲氣層來構(gòu)成超表面，聲壓透射為40 mPa，表明了超疏水效應(yīng)引起的聲學增透效果。

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

要點三：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。其寬角度透射增強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，根據(jù)斯涅耳折射定律，其通過微米氣層的路徑并沒有大的改變，聲波相位改變沒有發(fā)生大的變化，因而對工作頻率和增透效果并沒有太大的影響。如圖3c-d所示，他們使用了水下聲源其入射角度從0到75°，和沒有超表面對比(圖3e-f)，總體依然顯示了較好的聲波透過性能。

圖4. 聲學超表面的寬角度入射展示

要點四：未來應(yīng)用前景展示

  在實用方面，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，對此超表面幾乎沒有影響。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)計條件。作者還做了此超表面未來的潛在應(yīng)用展示（圖5）。首先，此超表面可以用于機載聲音傳感器系統(tǒng)對水下物體進行檢測和成像。在通常情形下，約 99.9% 的聲能會直接被水-空氣界面反射，因此不可能從空氣中對水下物體進行成像。使用此超表面，有望實現(xiàn)在空氣中對水下物體（圖 5a-c），如魚群等進行成像，并在黑匣子電池耗盡時對其進行水下成像（圖 5c）。此外，此超表面還可以用于在空氣中監(jiān)測黑匣子信號（圖 5d），例如，馬航 370 航班的黑匣子以 37.5 kHz 的頻率持續(xù)向周圍發(fā)射約一個月的信號。對于聲納通信，此超表面可實現(xiàn)水下物體與水面物體之間的通信，以及實現(xiàn)水下機器人的遠程操作（圖5e）。最后，來自海洋勘探、海洋石油平臺等的人為噪聲會在水面和海底之間反射，從而傳播很遠的距離影響海洋生物。而此超表面可以在第一次反射時，就把聲波傳播到空氣中來降低這些噪聲以保護海洋生物（圖 5g)。

圖5. 聲學超表面的潛在應(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博士后黃占東和中科院化學博士生趙志鵬，通訊作者是青島大學趙勝東副教授、加拿大西安大略大學楊軍教授，中科院化學所李會增博士和宋延林研究員。此工作受到了中科院聲學研究所青島分所的實驗平臺幫助。

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