超材料前沿研究一周精选 2019年12月16日-12月22日

事实证明，声辐射力和通过声镊引起的限制是操纵粒子的有效手段。在先前研究者的工作中已经证明了流体界面上的声场或光场的影响。这在实验室和工业中非常重要，1939年，科学家首次证明了负辐射压力取决于入射声场的能量密度。在先前的研究中，具有足够的聚焦和强度的超声波束用于使流体界面变形或从界面喷射液滴，但是并没有涉及到液滴的提取，操纵和捕集。使用声场可以捕获和操纵各种物体，通常需要驻波场或换能器阵列产生的驻波场。基于超表面的被动相控阵列或三维印刷透镜也已用于粒子处理。在这种情况下，限制能力对物体和光束参数高度敏感。

近日，来自美国密西西比大学的Likun Zhang研究小组报告了一种近场声镊，用于从流体-流体界面进行液滴提取和处理。之前尚未报道过从超声的流体界面中可控地提取大小均匀的液滴的能力，透镜浸没在水中，与四氯化碳（）的储层共享一个平面边界。超声波束施加负辐射压力，将吸入水中，从大块液体中提取出波长大小的液滴，并进行超声波捕获。在这里，近场结构负责液滴的提取，捕获和处理，从压力梯度有效地形成势阱，该压力梯度会在捕获后自动捕获波长大小的液滴。这项工作演示了使用近场声镊在没有机械接触的情况下从流体界面产生和处理液滴的方法。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12061001

众所周知，水中的球形气泡是出色的声共振器，因为与水相比，气体的重要压缩性强，可产生大幅度的振动。此外，共振波长比气泡尺寸大得多（500倍）。因此，气泡是设计新型声学超构材料（包括气泡作为亚波长构件）的理想选择。如果在水中出现较大的振幅，那么实验人员很快就面临着两个关于水中球形气泡的重要问题。首先，由于浮力，不能保证其在空间中的稳定性，这意味着在进行声激发之前，必须将气泡保持在表面或网下，另一种解决方案是在凝胶中包含气泡，但是必须选择非常柔软的凝胶，并且不要增加弹性效果。第二个主要挑战是气体在液体中的溶解。实际上，表面的曲率是引起毛细超压的原因，毛细超压触发溶解，甚至溶解到平衡或过饱和的水中。稳定性分析表明，从长期来看，球形气泡总是不稳定的。

近日，来自法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Philippe Marmottant研究小组介绍固定在浸入水中的3D打印毫米框架下立方气泡。立方气泡在时间和空间上比标准球形气泡更稳定，气泡固定在3D打印框架中，从而使气泡具有平坦的表面，因此不会产生毛细超压同时仍然允许其表面产生较大的振动。每个面都可以描述为与其他面耦合的谐波振荡器。这些共振器通过立方体内部的气体耦合，但也通过液体中的声相互作用耦合。研究者提供了一个分析模型和3D数值模拟，可以很好地预测共振。在声学上，立方气泡被证明是良好的单极子波长发射器，具有无辐射的次级表面模式。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（短文作者：刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.123.254501

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