近日，华中科技大学物理学院祝雪丰教授团队、生命科学与技术学院杨光教授团队以及深圳先进院郑海荣研究员团队以细菌纤维素（BC）为基材，使用同相扩散法，设计了一种具有稳定超疏水性能的纤维素基超疏水薄膜材料，具有超薄、超轻、生物可降解等特点。利用这种材料，研究者们设计制造出超薄（~20 μm）、超轻（< 20 mg）的芯片级声学器件。相关研究成果以“Decorated bacteria-cellulose ultrasonic metasurface”为题发表在期刊Nature Communications。华中科技大学的李宗霖（中国科学院深圳先进技术研究院客座博士生）和陈坤、中国科学院深圳先进技术研究院的李飞为文章的第一作者。
声学超材料(Acoustic metamaterials)是当下声学研究前沿最为流行的领域，将一些光学、微波物理乃至凝聚态物理的概念引入声学，并与人工结构设计巧妙地结合在一起，其独特之处在于能够对波的相位、振幅进行完全控制，产生想获得的物理场。得益于声学天然的学科交叉属性与丰富的应用背景，声学超材料的概念一经提出，就被认为在理论研究与实际应用中都具有良好的探索前景。
这一工作提出了一种独特的二氧化硅纳米粒子修饰细菌-纤维素(BC)元皮肤，实现水环境中纤维素基剪纸功能超材料。BC元皮肤具有与SiO2纳米颗粒结合的三维纤维网络，具有优异的超疏水性和强大的稳定性。例如，在水中浸泡200天以上的元表面上水滴的接触角(CA)仍然大于150°。此外，BC元皮肤是超薄和超轻的，厚度仅为20 μm，一片芯片级薄膜(1×1cm2)的重量仅为7.6 mg。纤维结构具有有趣的细菌修复能力，使BC元皮肤成为生物活性超材料的独特候选者。他们发现BC元皮非常适合用于剪纸，可以通过激光切割技术对其进行精细加工，产生复杂的镂空图案，精度可达~10 μm。先前的超材料剪纸研究主要集中在创造具有独特机械和/或形态响应的材料和/或结构。然而，由于BC元皮肤的纳米表面存在稳定的casse - baxter状态(即微尺寸的空腔)，非渗透性纤维结构内部容纳大量空气，不仅使元皮肤具有较小的弹性模量和密度，而且还导致与水形成巨大的声阻抗，物理上相当于“软边界”。在这种情况下，深亚波长厚度的剪纸BC元表面(即图案软边界)可以被视为一类新的声学超表面，可以提供复杂和完全的传输声场调制。~10 μm精度的超声调制实现了广泛的应用，如高质量的声全息、3D超声镊子和完美聚焦，在控制高频(>5 MHz)超声场剖面方面尤为重要。
图2：剪裁加工的非局域全息超透镜及其复杂全息声场。
图3：剪裁加工的成像超透镜及其远场高分辨二维、三维超声脉冲-回波成像。
该工作报告了装饰BC的元皮肤与剪纸相结合，以实现超薄和超轻的芯片级多功能超声设备。把设计的超材料和超声脉冲回波相结合BC元皮肤剪纸实现了高精度(~10 μm)超声波束的全振幅调制。他们先后实现了两种超轻(< 20mg)级芯片级超声器件，即全息元透镜和三维成像元透镜。多孔结构元透镜的非局部耦合产生了声全息图，这对全息超声镊的实现具有重要意义。同心缝结构超声元透镜可实现远场物体的高分辨率三维回波成像。该方法兼容高频功能二维器件和折纸/基叠技术，对推动纳米/微超声超材料在先进生物医学工程技术中的应用具有重要意义。
华中科技大学的祝雪丰与杨光、中国科学院深圳先进技术研究院的郑海荣为本文的通讯作者，该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省创新团队、深圳市基础研究重点等项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41172-2
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
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
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。
