加拿大西安大略大学、化学所和青岛大学等合作首次发现荷叶透声新效应

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近日, 加拿大西安大略大学杨军教授（目前在电子科大深圳高等研究院工作）课题组、中科院化学所宋延林团队、青岛大学赵胜东等合作发现了荷叶等自然界中的超疏水结构可以增强水气间声波透射的新效应。他们发现，频率约为28 kHz的声波透过倒扣在水面上的荷叶时，声能透射可增强400倍以上，并允许声波宽角度透射。通过构建人工超疏水结构，重现了此增透效应，并设计微结构来调控其工作频率。此超表面可以用于声呐跨越水气界面的探测、通讯、成像等，在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要应用前景。



图1. 荷叶透声新效应及模拟结果展示

水上和水下的通讯对于海洋资源勘探、声呐成像和探测等具有十分重要的意义。在空气中，虽然电磁波和声波都可作为载体来传播信息，然而，由于电磁波在水中衰减很快，水中的通讯通常依靠声波来进行。然而，当声波遇到水面时，只有约0.1%的能量能够透射，绝大部分都反射掉了，因此水气界面是声波传输中难以逾越的屏障。目前水气间的声波传输研究面临的挑战有：（1）水气界面具有不稳定性，很多声学材料在水面上构建时，需考虑除声学性能外的很多因素。（2）声学超材料具有亚波长共振的特点，其工作频率大多在10 kHz以下，处于声呐工作频率范围内的（10-100 kHz）声波透射还未实现，限制了其应用。（3）水气界面处声呐工作频率处的宽角度透射还未实现。因此，声呐工作频率范围内的水气界面声波透射仍是一个挑战。

近年来，作者利用疏水或超疏水结构在水中捕获阵列化的气泡结构，研究其声学性质，并实现了多种声学应用，发展了“超疏水声学”。比如，受超疏水结构启发创建气泡阵列，用于声学反射超表面来增强水下声波反射（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 12, 1757），疏水结构在水面附近处捕获的气泡，创建声学透射超表面（Research 2021, 2021, 9757943），三维疏水结构制备气泡声子晶体并研究其带隙性质（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）等。最近，他们证明了荷叶等超疏水结构漂浮在水面上时，其形成的微米级的气层可以用于水气声波透射，可以克服目前水气界面声波传输的难题。

本文要点

要点一：“荷叶超表面”的构建及原理

虽然荷叶的“荷叶效应”已经被发现了一百多年，然而其超疏水效应而产生的声学效应却很少被报道。此荷叶声学透射超表面的构建十分简单，即直接把荷叶倒扣在水面上（图2a）。由于荷叶的超疏水性（图2b-c），在荷叶表面和水层之间会产生一个微米级厚度的空气层（图2d），激光共聚焦测量显示，此空气层的厚度大概为20 μm（图2e-g）。这样在水面上就形成了一个以空气层为弹簧，以荷叶自身质量为振子的弹簧振子系统。研究发现，此弹簧振子的共振频率处，水气间的声波透射可以得到数百倍的增强（图2h-j）。他们还分析了荷叶结构的振动模态，发现其为荷叶自身振动模态和弹簧振子系统振动模态的叠加。在荷叶本征频率附近，并不具有声波透射增强效果，因而其透射曲线上会有很多断点（图2i）。通过推导分析解，他们解释了这一现象，并通过有限元模拟证明，通过增大荷叶的模量可以消除这些断点。在实验上，他们验证了荷叶的透声效应，如视频1所示。



图2. 荷叶声学透射超表面的结构及声学增透性质



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演示视频1. 荷叶表面的微米级气层以及声学增透效果展示

要点二：人工超疏水结构重现声学增透效应

荷叶具有季节依赖性、结构脆弱性、物理参数难以调控等弱点。而且，其自身本征振动会对增强效果产生不良影响，因此寻找替代性人工材料具有重要的实用价值。为此，他们选用了超疏水铝片。首先，铝的模量比荷叶大五个数量级以上，可以忽略自身振动模态对透射效果的影响。其次，铝片的可加工性很强，可以灵活地改变自身质量和表面疏水微结构，从而灵活调控工作频率。作者分别用激光刻蚀、湿法刻蚀和喷涂发制备了不同的超疏水结构，展示了其在不同频率下的增透效果。结果如图3所示，其声学透射效果视频2所示，当超疏水结构面朝向水时，可捕获气层形成超表面，其声压透射为600 mPa，当不存在铝片或者超疏水面背向水时，无法捕获气层来构成超表面，声压透射为40 mPa，表明了超疏水效应引起的声学增透效果。



图3. 构建人工超疏水结构重现其声学增透效应



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视频2. 人工超疏水结构的声学增强效应展示

要点三：超表面的声波宽角度增透性质

作者还证明，此超表面具有允许声波从水向空气的宽角度透射的特点。其宽角度透射增强是源于水气间较小的全反射临界角（约13.6°）。声波从水中以不同角度向空气中入射时，根据斯涅耳折射定律，其通过微米气层的路径并没有大的改变，声波相位改变没有发生大的变化，因而对工作频率和增透效果并没有太大的影响。如图3c-d所示，他们使用了水下声源其入射角度从0到75°，和没有超表面对比(图3e-f)，总体依然显示了较好的声波透过性能。



图4. 声学超表面的宽角度入射展示

要点四：未来应用前景展示

在实用方面，由于此超表面位于水面上，所以通常影响水下超疏水结构稳定性的因素，比如水压、空气溶解性和水温等，对此超表面几乎没有影响。唯一需要注意的是，此超表面需要结构可以自发地漂浮在水面上，所以构成此超表面的固体密度不能过大。作者考虑疏水作用力，浮力和重力等，给出了结构设计条件。作者还做了此超表面未来的潜在应用展示（图5）。首先，此超表面可以用于机载声音传感器系统对水下物体进行检测和成像。在通常情形下，约 99.9% 的声能会直接被水-空气界面反射，因此不可能从空气中对水下物体进行成像。使用此超表面，有望实现在空气中对水下物体（图 5a-c），如鱼群等进行成像，并在黑匣子电池耗尽时对其进行水下成像（图 5c）。此外，此超表面还可以用于在空气中监测黑匣子信号（图 5d），例如，马航 370 航班的黑匣子以 37.5 kHz 的频率持续向周围发射约一个月的信号。对于声纳通信，此超表面可实现水下物体与水面物体之间的通信，以及实现水下机器人的远程操作（图5e）。最后，来自海洋勘探、海洋石油平台等的人为噪声会在水面和海底之间反射，从而传播很远的距离影响海洋生物。而此超表面可以在第一次反射时，就把声波传播到空气中来降低这些噪声以保护海洋生物（图 5g)。



图5. 声学超表面的潜在应用展示

相关研究论文以“Lotus metasurface for wide-angle intermediate-frequency water-air acoustic transmission”为题发表在期刊 ACS Applied Materials & Interface上（ACS Applied Materials & Interfaces DOI: 10.1021/acsami.1c16043）。论文的第一作者为加拿大西安大略大学博士后黄占东和中科院化学博士生赵志鹏，通讯作者是青岛大学赵胜东副教授、加拿大西安大略大学杨军教授，中科院化学所李会增博士和宋延林研究员。此工作受到了中科院声学研究所青岛分所的实验平台帮助。

文章网址：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c16043

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