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MIT趙選賀和方絢萊聯合團隊發明可實現寬頻超大范圍可控阻抗匹配的聲學超凝膠
2019-07-19  來源:高分子科技

  金屬、聚合物、陶瓷和木材等傳統的聲學材料,通常需要被應用于包含固、液、氣等多相材料的的復雜環境中。然而,這些傳統聲學材料一旦完成制造,其聲學特性較難發生顯著變化,因此存在聲學材料和環境之間阻抗匹配的問題。在應用中,由于阻抗不匹配引起能量損失和脈沖混疊等問題,對聲學成像和通信等應用造成巨大挑戰。為了應對這一挑戰,需要非常規的聲學材料能根據工作環境介質和工作頻率變化而實時改變其聲阻抗的特性。特別是在水下聲學和生物醫學成像領域,為了提高信號轉導的分辨率和效率,需要聲學材料和水的阻抗相匹配。以往的研究表明,聲阻抗可以通過在液體中嵌入夾雜物組成的超材料進行調整。然而,這些超材料結構的聲學屬性仍然是固定的,無法實時調整。雖然電/磁/力學耦合和結構變形等機制可實現固體材料聲學性質的調節,但因為其可調節范圍和頻率有限,目前還沒有可以在寬頻下實現與空氣、水和各種固體材料匹配的聲學材料。

  在近日發表在Advanced Functional Materials的文章中,北京理工大學特聘研究員張凱團隊與MIT趙選賀教授團隊和方絢萊教授團隊合作,首次提出名為超凝膠(MetaGel)的新材料體系。該工作通過在韌性水凝膠基質中設計微結構通道,并填充各種流體介質,可在寬頻范圍內實現可調的接近空氣-水-固體的聲阻抗性能。由于水凝膠的主要成分是水(超過90%的體積占比),水凝膠的密度和聲波在其中的傳播速度幾乎與水的相同。因此,水凝膠和水的阻抗匹配優越于任何傳統的聲學材料。同時,水凝膠中的分子網絡使水凝膠具有較好的彈性,從而可以保持水凝膠基體和基體中所填充介質的形狀。因此,上述水凝膠獨特屬性的結合使MetaGel具有前所未有的可調聲學性能。

圖1. 包含微結構通道的韌性水凝膠設計原理圖。A)均質水凝膠與水聲阻抗匹配良好,幾乎實現了水聲的全透射。含微結構的超凝膠的等效聲學特性可以通過在通道中充入各種液體,包括B)水、C)空氣和D)液態金屬等來調節,產生幾乎全透射、全反射和透射反射結合的現象

  同時,作者提出兩種方法調節MetaGel的聲學性能:1)改變通道中的填充物2)改變不同填充物的填充比。 

圖2。不同填充材料的寬頻可調聲透射率。充滿了水A)、空氣B)和液態金屬C) 的MetaGel。D)填充了水,空氣,液態金屬的MetaGel在不同頻率的透射系數的實驗結果與數值模擬結果。實線表示實驗結果,虛線表示模擬結果。MetaGel結構中,圓形通道的直徑為a = 2.2 mm,相鄰兩個通道之間的距離為L = 6.5 mm。

  對于第一種調節方法,實驗測量得到的能量透射率在50KHz-150kHz頻率范圍內在98.9%以上,表明MetaGel與水聲的阻抗匹配幾乎完美。相反,當MetaGel中的通道充滿空氣時,MetaGel的能量透射率在50KHz-150kHz頻率范圍中降為6%,入射聲波幾乎全部被反射。當在MetaGel中的通道內填充液態金屬,平均透射系數約為90%。對于第二種調節方法,作者在固定孔道間距和直徑的同時,改變填充水和空氣的通道的比例, 實驗測得當通道填充比例為Nwater:Nair= 1:0, 1:3, 1:5, 1:8, 2:1,2:2、2:3, 0:1時, 50-150 kHz頻率范圍的透射系數實現了從0到1的覆蓋。對相同的通道填充比例(Nwater:Nair)進行的數值模擬(COMSOL)結果顯示出和實驗測量類似的趨勢。除此之外,作者還建立了描述MetaGel透射系數的多重散射模型(MST)并驗證了實驗結果在寬頻率范圍內的正確性。

圖3。通過改變填充比實現的寬頻聲透射率大范圍可調的MetaGel。不同填充比的水下MetaGel (A-C)。水與空氣的比例(Nwater:Nair)分別為A) 1:2, B) 2:2, C) 2:1混合。D,E) 不同的填充比例下聲透射系數的實驗與數值模擬結果。圓形通道的直徑a = 2.2 mm,相鄰兩個通道的距離L = 6.5 mm。

  對于周期性結構傳播介質,如果聲波波長大于1倍晶格長度,MetaGel可以被認為是宏觀上均勻的材料。圖4畫出了不同尺寸和填充比的MetaGel的聲阻抗值。完全填充氣體的MetaGel占據了聲阻抗接近0的區域。完全填充水的MetaGel保持和水相同的阻抗, 和填充比例以及結構尺寸無關。填充液態金屬的MetaGel的聲阻抗值可隨著液態金屬填充比例而變化。通過調節填充介質、填充比例以及結構尺寸,MetaGel在寬頻下的可調節阻抗范圍覆蓋了大量典型液體、固體,甚至接近氣體的阻抗。

圖4. 不同類型的典型固體、液體和氣體和具有不同填充比例和不同尺寸的MetaGel的聲阻抗。文中提出了六種具有不同結構特征的MetaGel。Ⅰ:a = 110 μm, L = 325 μm; Ⅱ:a = 110 μm, L = 115 μm; Ⅲ: a = 2.2 mm, L = 6.5 mm; Ⅳ: a = 3 mm, L = 6 mm; Ⅴ: a = 2.3 mm, L = 2.3 mm; Ⅵ: a = 3 mm, L = 3.1 mm

圖5. MetaGel在超聲成像中的應用。A)超聲成像系統的示意圖。圖中使用了填充水/空氣的MetaGel。4MHz超聲成像頻率下,成像目標可以通過完全填充水的MetaGel清晰成像B),當MetaGel填充空氣時圖像消失C)。B和C中的標尺是12mm,B和C中的灰度條代表了動態范圍(成像信號的最大值和最小值的差)

作者展望

  作者提出了在韌性水凝膠內部設計用于填充空氣、水和液態金屬的通道的方法來制備MetaGel, 從而實現寬頻下可調節的匹配空氣、水和固體的聲學性能。在如圖5所示的超聲波實驗中(聲波頻率為4MHz),當MetaGel通道中填滿水時,青蛙可以通過超聲探頭清晰地成像,一旦通道充滿空氣,青蛙圖像消失。 由此可見,MetaGel可以用作超聲波成像的快門,按照需求實現目標物體的成像窗口“開”和“關”,選擇性地屏蔽不需要的強散射區域,最終實現具有更強的對比度的超聲成像。

  除了前所未有的寬頻可調透射率,作者提出的MetaGel還具備低成本,環境友好,人體組織兼容的優點。將來,采用更復雜的2D和3D的通道和更多的填充物種類(例如硅油或者甘油)可能會帶來更寬的聲學屬性調節范圍。文章中提出的MetaGel的設計方法和材料系統為未來聲學材料的設計和應用開啟了一種新的方式,將會極大促進新型水下設備和醫療成像設備的發展。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201903699

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(責任編輯:xu)
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