合工大常龙飞、胡颖团队《Mater. Horiz.》：一种可编程声学超材料 - 通过光响应智能材料实现非接触式超宽带吸声调控

点击上方“蓝字” 一键订阅

近日，合肥工业大学常龙飞副研究员、胡颖研究员团队与西安交通大学、爱沙尼亚塔尔图大学及安徽省胸科医院等多单位合作，提出了一种新型可编程光调制吸声体（LMA）的概念，其通过光响应驱动材料实现了无束缚、超宽带声学调制。与几何结构固定、可调性有限的传统超材料不同，LMA可在紧凑构型中实现结构状态转变与尺寸参数调节，从而在低强度光刺激下，实现对吸声特性的可编程控制。

2025年8月27日，相关成果以“A programmable acoustic metamaterial: achieving untethered ultra-broadband modulation with photoactive structural transition”为题发表在《Materials Horizons》上。该论文共同第一作者为张亚超（研究生）、常龙飞，共同通讯作者为常龙飞、胡颖。共同作者包含合肥工业大学的王涛（研究生）、韩帅（研究生）、李家柱副教授、丁煦副研究员，西安交通大学的樊鹏博士，安徽省胸科医院的唐飞副主任医师以及爱沙尼亚塔尔图大学的Alvo Aabloo教授。

图1  LMA 概念及两种LMA结构示意图（MSP-M和MPP-C）

该研究首次将光活性聚合物智能材料与声学超材料结合，构建了两种LMA结构，分别为 MSP-M 型与 MPP-C 型。吸声器所采用的光响应聚合物为碳纳米管-全氟磺酸树脂/聚乙烯（CNT-Nafion/PE）双层复合材料，这是团队前期开发的一种高性能多刺激响应柔性驱动器（Chang et al., Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212341：https://doi.org/10.1002/adfm.202212341）。为探究两种结构的吸声性能，本研究同时开展了实验测量与有限元（FEM）分析。

其中，MSP-M 型结构由膜调控微缝面板（MSP）与背腔构成，在光激励作用下可实现薄膜型超材料（MAM）与可调 MSP 结构的状态切换。无光照激励时，聚合物将微缝完全遮蔽，此时结构呈现膜共振模式；而在光响应过程中，条带会向上弯曲，使微缝暴露，且穿孔度可随光强实现连续调控。

图2 MSP-M结构在光照下的可调制吸声性能

MPP-C 型结构由微穿孔板（MPP）与两个背腔（背腔 I 与背腔 II）组成，其中背腔 II 设有螺旋通道。两个背腔通过一条通道连通，该通道由光响应驱动器调控的隔板进行控制。无光照激励时，隔板处于开启状态，两个背腔连通，此时结构呈现 MPP 与通道结构的耦合共振模式；当隔板受光照作用时，结构则仅表现为 MPP 共振模式。此外，背腔 II 由两个光响应驱动器控制的闸门分割，通过对闸门状态进行不同编程，可实现通道腔体长度的调控，进而实现吸声频段的偏移。

图3 MPP-C 结构的可编程吸声原理示意图

图4 MPP-C结构的可编程吸声性能

在LMA中，柔性智能材料不仅能够实现尺寸参数的调控，还可在光激励作用下使超材料在不同共振态之间切换，进而实现吸声性能的提升与无束缚超宽带可调特性。通过集成MSP、MPP及通道结构，本研究开发的新型超材料吸声器可在对应声波波长远大于吸声器厚度的频段内实现单位吸声系数（完美吸声）。值得注意的是，在光强仅为 75 mW/cm² 的自然光照射下，该结构即可展现出显著的声学调制效果。当光强在 100 mW/cm² 时，MPP-C型吸声器的吸声峰值频率偏移量可达 324.6%，相较于现有研究成果实现了大幅突破。上述结果为可编程声学超材料的构建提供了极具潜力的新方向，不仅为自适应噪声调控领域的进一步创新提供了思路，更有望推动柔性智能材料与声学超材料在实际场景中的应用进程。

感谢中央高校基本科研业务费（JZ2025HGTG0276）、国家自然科学基金（52075140）、及爱沙尼亚研究委员会（PRG1084）的资助。

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。