资讯 | 多国团队《Nature Communications》：超材料如何破解百年流固耦合难题

一、解决的问题

本文聚焦于流体与固体结构之间的动态相互作用（即流固耦合），探讨如何通过超材料的设计来精确控制和优化这些相互作用。主要解决以下关键问题：

• 流体流动引起的结构振动、噪声和能量损耗，如在航空航天、船舶、能源系统中常见的湍流、流动分离、边界层不稳定等现象；

• 传统材料在控制流固耦合效应方面的局限性，尤其是在多物理场耦合（流体、声波、弹性波）中的表现；

• 在高速流动、复杂流动环境下，如何实现对流动、声波和振动的协同控制；

• 微观尺度下对颗粒或细胞的精确操控需求，如在生物医学和微流控中的应用。

二、提出的方法

文章系统综述了多种基于超材料的流固耦合控制策略，主要包括：

• 声子次表面（PSubs）：通过在固体表面下方嵌入周期性或局部共振结构，利用弹性波与流动扰动之间的相位干涉，实现对流动不稳定性的被动控制；

• 拓扑超材料：利用拓扑保护的边界态，实现对声波或弹性波的鲁棒导引和局域化，甚至在流体-固体耦合系统中实现新型波动现象；

• 时空调制超材料：通过材料和边界条件的时空周期性变化，打破波的 reciprocity，实现非互易传播、方向性带隙等；

• 多孔与可渗透材料：用于声学衬里、流动降噪、湍流控制等，尤其是在通风、航空发动机等场景中；

• 声流控超表面：利用声波在微流控芯片中实现对微小颗粒的非接触操控，结合超材料的亚波长结构实现高精度控制；

• 空间卷曲结构：通过极端路径延长实现对低频声波的高效吸收或隔离，同时允许流体通过。

三、实现的效果

文中展示了多种超材料在实际应用中的潜力与效果：

• 流动控制：声子次表面可实现对Tollmien-Schlichting波的被动抑制，延缓层流到湍流的转捩，降低阻力；

• 噪声控制：可渗透材料与声学超材料在航空发动机、管道系统中实现宽带噪声抑制，尤其是在有流动的情况下；

• 振动控制：通过拓扑态或局部共振机制，实现对流动诱导振动的有效隔离和能量局域化；

• 颗粒操控：声流控超表面可在微流控芯片中实现对细胞、DNA等微小物体的精确操控，具有高生物相容性和无接触优势；

• 水波控制：通过周期性结构实现对表面重力波的引导、聚焦、隐身等效果，具有海洋工程应用前景。

四、创新点

本文的核心创新在于将超材料的设计理念引入流固耦合领域，实现了对传统材料无法企及的波动与流动控制能力，具体体现在：

• 跨尺度、多物理场的统一设计框架：将流体力学、弹性力学、声学与材料科学相结合，提出了一套适用于超材料流固耦合的理论建模方法；

• 从“表面处理”到“波动物理设计”的范式转变：不再依赖经验性的表面粗糙度或涂层，而是通过结构内部的波动物理实现对流动的精确调控；

• 引入拓扑、非局部、时空调制等前沿物理概念：为流固耦合系统带来了新的自由度，如非互易传播、能量局域化、实时可重构等；

• 强调“流动-声波-振动”三者协同控制：在航空、能源、微流控等多个领域中展现出系统级应用的潜力；

• 提出“元连续介质”概念：将流动效应嵌入超材料设计之中，实现对有背景流动环境下的声波传播的精确建模与控制。

摘要：

图1：由超材料控制的流体流动诱导现象和结构波传播机制