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　　摘要聲學微納操控是為滿足對微納作動功能的最新需求而出現的一種作動新方法。它利用聲波的各種物理效應對微納尺度的固體、液滴、氣飽與軟物質進行受控操縱。本論文在給出聲學微納操控方法的出現背景與研究現狀后，對其主要工作原理進行總結與點評，在給出最新研究進展的幾個實例后，指出該方法的應用前景及其在發(fā)展過程中尚需解決的重要問題。

　　關鍵詞聲，換能器，物理效應，微納操控

　　1.引言

　　隨著生物醫(yī)學、微納米制造、納米科技、材料工程、新能源和環(huán)保等領域的發(fā)展，對微納尺度物體進行操縱的要求越來越多，這些操縱包括捕捉、定向、轉移、釋放、分類、旋轉、清除、聚集與組裝等等。這些操縱功能大部分都不能用傳統作動技術來實現或高效完成，這是因為傳統作動技術在驅動形式與工作原理上的選擇性比較小，其器件的結構形式一般是面向宏觀物體的作動。

　　相關期刊推薦：《聲學技術》(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，是中國科學院聲學所東海研究站、同濟大學聲學研究所、上海市聲學學會和中船重工集團公司第726研究所合辦的學術性刊物。主要刊登：超聲學、生物醫(yī)學超聲學、電聲學、水聲學、海洋聲學技術、建筑聲學、噪聲控制、生理和心理聲學、聲信號處理、換能器和聲系統等。凡有關上述專業(yè)內容的科研論文、實驗報告、綜述評論、研制總結、使用經驗等等。

　　為了實現微納操控功能，不同領域的研究者提出并研究了各種不同的方法。這些方法依據它們物理原理的不同，可以分為光學、磁、電、機械、原子力顯微鏡、微流體和聲學等方式[1]-[3]。聲學微納操控方法利用聲波的物理效應來操縱微納尺度固體顆粒、液滴、氣泡和軟物質。它具有對操控樣品的材料特性無選擇性、幾乎沒有溫升損害(納米操控中)、操控功能多樣、裝置結構相對緊湊以及操控基板無需設有微溝道等優(yōu)點。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。

　　在聲學微操控方面比較成熟的方法是利用駐波聲場對微物體的捕捉，該方法最早出現于上世紀70年代。歐盟的研究團隊已將相關器件用于細胞紅外光譜分析儀的細胞聚集定位單元、流體中微顆粒的過濾與分離如紅細胞分離以及燃煤廢氣的過濾等方面[4][5]。另一項較為成熟的聲學微操控方法是由我國西北工業(yè)大學的團隊提出的利用聚焦聲場對微小物體進行懸浮與捕捉的方法[6]，該方法已成功應用于材料的非接觸式加工中。傳統的聲學微操控方法利用聲輻射力對微物體進行作動。但近幾年國內外的研究工作表明：除了聲輻射力以外，其它的超聲物理效應如固體振動板節(jié)點周圍的局部行波、Chladni效應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]。

　　聲學納操控是在最近幾年才出現的一種新的微納操控方法，目前它主要利用聲學微渦流獲得操控力[2]。本文作者的研究團隊在2012年提出了利用聲學微渦流對溶液中的納米線進行受控捕捉、定位、定向與移動的方法[7]，并在隨后的幾年中利用聲學微渦流，實現了納米線的受控旋轉驅動、各種納米物體的受控聚集等納操控功能[8]-[11]。在受控聲學納操控方面，美國同行曾在2014年提出利用聲學渦流對液體中納米線進行高速驅動的方法[12]。

　　2.工作原理及點評

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

　　聲輻射力主要用來操控微尺度物體，可由駐波[13]，聚焦聲束[6]和近場行波[2]產生。駐波可由輻射面-反射結構或者SAW(聲表面波)裝置產生。由駐波產生的聲輻射力可以將聲場中的微米物體推至聲壓節(jié)點(或反節(jié)點)處并使其聚集。利用駐波聚集多個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微小物體，也不適于實現相對復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來捕捉單個或多個微米物體?？赏ㄟ^移動發(fā)出超聲波的換能器，實現被捕捉微米物體的位置轉移。然而由于非接觸式工作原理，被捕捉微物體的穩(wěn)定性低，且在焦點處的強超聲波會導致溫度升高并損害生物樣本或其他溫度敏感試樣。近場行波方法利用面內振動輻射面附近的聲場空間梯度，產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或多個微米物體，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難題。近場行波方法中的另一項挑戰(zhàn)是如何降低操控部的升溫。

　　聲學納操控所需的操控力由聲學流產生，現階段幾乎所有聲學納操控都依賴聲學流[2][14][15]。聲學流可以由聲場中雷諾應力的空間梯度、聲場的二階聲壓、聲學氣泡的坍縮或者微操縱探針的橢圓運動所產生。已實現的聲學納操縱功能包括對去離子水中單根納米線的捕捉、定向、定位、轉移和旋轉，以及去離子水中納米線與納米顆粒的聚集。在聲學納操控中，操控區(qū)的溫度升高通常很低，可以低于0.1℃。這個特性使得聲學納操控技術在處理生物樣品以及溫度敏感樣品時具有競爭力。在聲學納捕捉中，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。聲學納聚集可以在超聲振動臺上的水滴中實現，或者由懸于靜止基板上方聲學針所激振的水膜中實現。為了提高裝置的操控性能，需要對裝置中的聲學流場分布進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控制方法。

　　在基于行波振動的摩擦驅動方法中，利用固體表面質點橢圓運動來驅動基板表面上的微物體。該方法可應用在微顆粒的輸送與分離以及微小機械部件的旋轉驅動中[2]。在Chladni效應下，振動彈性體表面與顆粒之間的撞擊被用來驅動顆粒運動到振動表面上的振動節(jié)點處。Chladni效應在基于圍繞振動節(jié)點的周向行波的旋轉驅動中，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，可以在液體聲場中產生微小氣泡。它在微納操控方面已有的應用包括增大細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氣泡上的特殊的聲輻射力，這種力可以應用在聚集液體中的微米顆粒。無論是否有聲空化發(fā)生，液體中的聲學振動可以導致分子間引力(例如液體分子間VanderWalls力)的減弱。這個效應已經應用在驅動微流體和微液滴融合等方面[2]。相對于聲輻射力與聲學流，這些物理效應仍然沒有被深入與全面地探究，但它們在微納米操控中確有著巨大的潛力。

　　3.聲學微納操控方面最新研究工作的實例

　　長期以來，穩(wěn)定捕捉空氣中高密度微尺度物體是聲學操控中的一個難題，主要原因是無法解決如何在微尺度物體上產生足夠大的聲輻射力這一問題。作者的研究團隊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鉗，并利用該聲學鉗穩(wěn)定地捕捉了空氣中直徑40μm、長1~14mm的單根微米銅線。該聲學鉗由一根端部扁平而且彎曲的超聲針和一個勵振用夾心式換能器構成(如圖1(a)所示)，工作在45.8kHz，利用超聲針端部扭彎振動產生的行波近場，捕捉端部附近的微米銅線(如圖1(b)所示)。該聲學鉗目前存在著捕捉部的溫升較高以及勵振換能器體積較大等問題，需進一步研究解決。

　　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用前景。作者的研究團隊最近提出了一種利用超聲臺聚集水溶液中納尺度物質的方法，該方法通過控制超聲臺的振型并利用超聲臺上液滴中的聲學微渦流，把納米線或納米顆粒聚集到超聲臺的中央并形成圓形的聚集斑點(圖2)。圖2的實驗中，超聲臺由銅基板和粘結于基板背面的壓電圓環(huán)構成，工作頻率為31kHz，做中心對稱的彎曲振動，液滴由直徑400nm的SiC納米顆粒和去離子水構成，聚集斑點的直徑可通過改變溶液濃度和聲處理時間進行控制，目前可達數毫米。需要使用振動基板限制了該方法的實際應用范圍，因此目前正在研究基于非振動基板與聲學針組合的納米聚集方法。

　　4.應用前景與未來的研究

　　聲學微納操控是超聲學的一個新興領域，它為微納尺度物體的作動提供了一個新方法。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)保等領域中有著非常巨大的潛在應用，但目前在工作新原理、操控功能多樣化以及相關換能器高性能化等方面，仍有大量的科學與技術問題需解決。這些問題的解決主要涉及到下列幾方面：聲場及其聲學非線性效應的控制;超聲換能器的振動控制;新的超聲物理效應的探索。

　　5.結束語

　　人類在宏觀物體的作動方面(如各類電磁馬達、氣動裝置和液壓驅動裝置等)，已有100多年的研究與開發(fā)歷史，相關的理論與方法相對成熟。但在微觀物體的作動(如微納尺度物體操控)方面，研究歷史相對來說還很短，還有大量的科學與技術問題需要探索和解決。超聲微納操控提供了一種利用聲波(機械波)的物理效應對微納尺度物體進行操縱的新方法，對它的深入研究必將強化人類對微觀世界的研究能力與利用能力，并有力推動物理聲學的發(fā)展。