露珠是自然界中常见的现象之一，自古以来吸引了众多文人雅士的青睐，如陆云的“盈盈荷上露,灼灼如明珠”-《芙蓉诗》；苏轼的“夜风破浪碎，朝露珠玑香”-《戏作种松》，宋代向子諲的《菩萨蛮》也写道 “天仙醉把珍珠掷,荷翻写入玻璃碧”等等。古人可能想不到，露珠也可以用来制备一种神奇的人工微结构材料，用以实现对电磁波的动态调控。
近日，南京大学赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授与南京师范大学褚宏晨研究员的合作团队提出了一种全新的由露珠构成的电磁超表面，即可调露珠超表面（Tunable Dewdrop Metasurfaces）。这种露珠超表面是通过设计由亲水与疏水表面组成的微结构图案实现的，理论上可以实现任意排布的、任意形状的露珠（超原子）阵列。有趣的是，露珠的凝结和蒸发过程是一种天然的调控手段，可以动态控制露珠超原子阵列的产生、消失和形貌，从而有效地调控电磁波的吸收和散射（反射）等现象。这项研究展示了一种独特的基于凝结和蒸发的动态调控机制，有望推广至光学及声学领域来实现更多新奇的超表面应用。论文以“Dewdrop Metasurfaces and Dynamic Control Based on Condensation and Evaporation” 为题，发表于国际期刊 Advanced Science (《先进科学》)。南京大学硕士研究生贾润琪和博士研究生景永鑫为论文共同第一作者；南京师范大学褚宏晨研究员、南京大学彭茹雯教授、王牧教授和赖耘教授为论文共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划和自然科学基金的支持。
图2. 可调露珠超表面的制备和露珠阵列图片。
研究团队通过两个实例展示了露珠超表面的电磁波调制能力，第一个实例是利用露珠超表面实现可调控超宽带吸收。如图3所示，实验结果显示，当温差越大或环境湿度越大时，相同时间内冷凝的露珠体积更大，露珠形貌也由不规则的岛屿状变为饱满球冠状。当无水滴凝结时，超表面衬底呈现宽频段近似PEC的全反射特性；当露珠饱满时，则呈现宽频高吸收的特点；而当露珠体积较小成岛屿状时，其低频吸收率相对较低。
图3. 基于露珠超表面实现宽频可调控吸收。
第二个实例用以验证露珠超表面对微波波前的调控能力。研究团队设计了一个二元相位露珠光栅，由长方形露珠和十字形露珠交替排布组成，分别由不同亲水与疏水图案设计得到。当没有露珠冷凝时，这两种超表面衬底具备π/2的相位差；而在有露珠凝结时，相位差变为π。基于此设计的二元相位露珠光栅和波束分束调控结果如图4所示。无露珠时反射具有零级衍射，而有露珠时反射零级衍射消失。此实验验证了二元相位露珠光栅能够动态调控反射（散射）波的强度和方向分布，展示了可调露珠超表面对电磁波相位的调制能力。
图4.基于露珠超表面实现波前调控。
这一创新性的研究开拓了电、光/热或机械之外的新调控手段，可以应用于广泛的场景。例如，将其用于墙壁、岩石，甚至树叶上，通过自然界环境条件变化引起的露水凝结和蒸发过程，即可实现对微波的控制与调控，也可以推广至光频段和声学超表面应用设计。可调露珠超表面不仅清洁环保，且制造成本低廉，有望实现更灵敏，更丰富的新奇可调超表面应用。
论文信息：
Authors: Runqi Jia†, Yongxin Jing†, Hongchen Chu*, Ruwen Peng*, Mu Wang*, and Yun Lai*
Title: Dewdrop Metasurfaces and Dynamic Control Based on Condensation and Evaporation
原文链接：
Published in: Advanced Science, doi: https://doi.org/10.1002/advs.202404010
