基於多維複雜聲場的聲鑷研究取得系列進展

最新 04-28

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所勞特伯影像中心鄭海榮課題組在基於人工周期結構的複雜聲場操控微流體方面取得系列進展，在期刊Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics連續發表文章：《聲子晶體增強近邊界流動用於聲孔效應的研究》（Phononic Crystal-enhanced Near-boundary Streaming for Sonoporation,Applied Physics Letters, 2018, 113, 083701），(Front Cover, Featured, Breaking Research)；《聲子晶體操控微顆粒快速聲泳運動的研究》（Rapid acoustophoretic motion of microparticles manipulated by phononic crystals,Applied Physics Letters,2018, 113, 173503）；《雙聲子晶體板亞波長狹縫結構中的超快速類Rayleigh流動的研究》（Ultrafast Rayleigh-like streaming in a sub-wavelength slit between two phononic crystal plates,Journal of Applied Physics, 2019, 125, 134903）。副研究員李飛為文章第一作者，研究員鄭海榮和蔡飛燕為文章通訊作者。

利用光、聲場設計進行非接觸的操控具有重大科研和應用價值，光鑷操控技術獲2018年諾貝爾物理學獎。聲鑷或者聲操控技術是利用聲場中的顆粒對聲波產生的反射、折射、吸收等效應引起的動量在聲波與顆粒之間交換，通過顆粒受到的力的作用對其進行操控。聲波操控在操控距離、穿透生物體和操控通量方面具有特殊優勢。

聲子晶體（人工周期結構）是具有聲子帶隙的人造周期彈性介質結構。利用聲波在不同周期結構材料中的傳播規律，以及不同材料的組元及其結構對能帶結構及帶隙的調控機制，可以精確設計優化聲子晶體對多維複雜聲場形態進行調製，從而控制聲波的傳播和分布。在前期研究中，研究團隊利用聲子晶體在聲場形態調控方面的優異特性，首次提出「聲篩」概念（Physical Review Applied, 2014, 1, 051001,Highlights, Featured in Physics,Applied Physics Letters, 2011, 99, 253505），通過設計製造的聲子晶體板共振激發強梯度周期聲場，產生高度局域化的聲輻射力，實現了對亞波長大量微納米顆粒的批量操控和篩選。

受前期「聲篩」研究的啟發，課題組進一步設想通過特定設計的聲子晶體操控複雜聲場形態以實現對微流場結構的定量調控。研究人員基於聲子晶體單板或者雙板耦合共振產生的周期局域聲場，在理論和實驗中證實了聲子晶體調製聲場對近邊界和空間多維微渦旋流場靈活調控的可行性：研究團隊通過顯著改進沿細胞邊界的切向聲場梯度，增強了近邊界微渦旋流場剪切力，實現了大規模細胞的可修復聲孔效應；闡明了顆粒在聲子晶體調製聲場中快速聲泳運動的機制，證實了隨著顆粒尺寸的增加，聲泳運動從聲流拽力主導過渡至聲輻射力主導；系統研究了雙聲子晶體板共振模式對微渦旋流場的影響，發現反相耦合模式產生的強局域聲場誘發了一種超快速類Rayleigh流，其與經典Rayleigh流的流場結構相似，但最大速度卻高4個數量級，且具有更小的渦旋尺寸。

該系列工作可為發展基於聲子晶體的新型微流體器件提供理論基礎和技術支撐，在快速混合、細胞/顆粒篩選、藥物輸運、基因轉染、神經刺激、細胞操控等生物醫學應用方面具有重要應用前景。

該研究工作與廣州醫科大學、廣東工業大學以及美國佛蒙特大學、華盛頓大學等單位研究人員合作完成，得到國家自然科學基金委面上、重點基金等的資助。