Science Advances | 拓?fù)渎曡嚥倏亓W又悄鼙苷喜ɡ饲斑M(jìn)
聲鑷技術(shù)憑借其非接觸式操控優(yōu)勢(shì),已在細(xì)胞、生物分子等微納米尺度顆粒操控領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)聲鑷在復(fù)雜非均勻介質(zhì)(如生物組織、復(fù)雜流體)中面臨著根本性挑戰(zhàn):聲波穿過不同密度、聲速的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生散射、反射、折射和畸變,導(dǎo)致聲場(chǎng)紊亂,造成操控失效,成為非均勻復(fù)雜介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控的主要障礙。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭海榮院士、李飛研究員,聯(lián)合華中科技大學(xué)祝雪豐教授,提出了一種在復(fù)雜強(qiáng)散射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定聲操控的突破性解決方案:1)通過引入聲學(xué)拓?fù)湫挛锢韺?duì)結(jié)構(gòu)無序、制造缺陷、環(huán)境擾動(dòng)、背向散射的免疫和魯棒性優(yōu)勢(shì),在主動(dòng)設(shè)計(jì)的拓?fù)渎曌泳w中,激發(fā)具有“拓?fù)浔Wo(hù)”的局域化谷態(tài)駐波場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了顆粒沿任意設(shè)計(jì)軌跡的高精度、空間選擇性、可編程的“波浪式”智能定向輸運(yùn);2)通過調(diào)控入射波相位,利用散射系統(tǒng)中受拓?fù)浔Wo(hù)的駐波輻射力,可在存在拐角、空腔和無序等缺陷條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高效顆粒操控;3)通過與傳統(tǒng)聲子晶體波導(dǎo)對(duì)比,以及跨三通道拓?fù)滟|(zhì)量環(huán)路實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步凸顯了拓?fù)漪敯粜缘穆暡倏貎?yōu)勢(shì)。
該體系的可擴(kuò)展性與魯棒性為在生物組織等復(fù)雜非均勻介質(zhì)中維持穩(wěn)定的操控力場(chǎng)提供了理論基礎(chǔ),也為從根本上解決聲鑷在復(fù)雜、非理想環(huán)境中精確穩(wěn)定合成的難題提供了新范式,對(duì)光鑷、拓?fù)湮锢淼认嚓P(guān)領(lǐng)域亦具有重要的借鑒意義。相關(guān)研究成果以"Demonstration of topological acoustic tweezing for robust mass transport"為題,于1月1日發(fā)表在Science Advances上。
美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校終身教授Yuebing Zheng在Science Advances上同期撰寫了特約評(píng)論文章(Focus article)“Sound matters: Using acoustics to move material”,認(rèn)為:Zheng and co-workers present one of the pioneering demonstrations of topological acoustic tweezers. …… The foundational work by Zheng and co-workers offers several promising avenues for future research: system miniaturization and integration, reconfigurable waveguide structures, diversified manipulation modes.
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮院士和李飛研究員、華中科技大學(xué)祝雪豐教授為論文共同通訊作者;中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員黃來鑫、華中科技大學(xué)博士研究生向霄與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后李宗霖為并列第一作者。該研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目與廣東省磁共振與多模態(tài)成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助。
拓?fù)漕w粒輸運(yùn)的物理機(jī)制
利用旋轉(zhuǎn)角相反的不銹鋼柱陣列構(gòu)建了水下谷拓?fù)浣^緣體。通過能帶結(jié)構(gòu)分析和透射譜測(cè)量確定了當(dāng)聲波頻率為470kHz時(shí),可激發(fā)沿結(jié)構(gòu)界面?zhèn)鞑サ倪吔鐟B(tài)產(chǎn)生,從而構(gòu)建能量局域化的拓?fù)渫ǖ?。?dāng)聲波從通道兩端入射后,會(huì)在通道內(nèi)相互干涉,產(chǎn)生受拓?fù)浔Wo(hù)的拓?fù)漶v波場(chǎng)。通過調(diào)節(jié)入射波的相位差φ,可使捕獲在勢(shì)阱中的微顆粒隨駐波聲壓波腹移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)輸運(yùn)。
直線型拓?fù)洳▽?dǎo)中的局域化駐波與顆粒輸運(yùn)
根據(jù)波動(dòng)物理學(xué)基本原理,兩列反向傳播的平面波疊加可形成駐波場(chǎng)。當(dāng)兩列行波間的相位差變化時(shí),所有聲壓波節(jié)與波腹將沿聲傳播方向移動(dòng)。本研究通過光纖水聽器測(cè)量了不同相位差條件下的拓?fù)浣缑嫣幍穆晥?chǎng)分布,驗(yàn)證了該調(diào)控策略在拓?fù)浔Wo(hù)散射系統(tǒng)中同樣有效。進(jìn)一步,實(shí)現(xiàn)了PDMS顆粒在通道內(nèi)聲壓波腹處的捕獲和沿鋸齒狀路徑的輸運(yùn),并揭示了拓?fù)渎晥?chǎng)中的輻射力對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的操控機(jī)制。
含缺陷拓?fù)洳▽?dǎo)中的穩(wěn)健顆粒輸運(yùn)
接下來研究了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺陷對(duì)顆粒輸運(yùn)的影響。首先,對(duì)比了包含拐角缺陷的聲學(xué)拓?fù)洳▽?dǎo)(ATW)和由A晶格組成的聲子晶體波導(dǎo)(PCW)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在ATW中,微粒能夠順利穿越拐角,并在長(zhǎng)距離的復(fù)雜軌跡上實(shí)現(xiàn)魯棒輸運(yùn)。相比之下,PCW完全無法實(shí)現(xiàn)定向的微粒輸運(yùn),微粒僅在起始位置附近振蕩。隨后,在直線型ATW中移除了兩個(gè)柱體,構(gòu)建了空腔缺陷。盡管顆粒在通過該腔體后,暫時(shí)偏離了界面,但之后迅速返回通道完成定向輸運(yùn)。以上結(jié)果凸顯了拓?fù)渎曡噷?duì)顆粒的穩(wěn)健操控能力。
拓?fù)滟|(zhì)量循環(huán)輸運(yùn)
最后,利用谷邊界態(tài)的聲學(xué)分束能力(在界面交匯處,邊界態(tài)會(huì)分裂至相同能谷的通道中)構(gòu)建了一個(gè)聲學(xué)循環(huán)器。此聲學(xué)循環(huán)器由交匯于一點(diǎn)的三條拓?fù)渫ǖ澜M成。通過切換激活不同的通道端口和循環(huán)相位調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了跨越三個(gè)端口的粒子循環(huán)輸運(yùn),展示了拓?fù)渎曡嚨闹悄芑吐窂竭x擇性的輸運(yùn)能力。

拓?fù)渎曡嚒安ɡ耸健敝悄鼙苷隙ㄏ蜉斶\(yùn)顆粒示意圖

圖1:?拓?fù)渎晫W(xué)質(zhì)量輸運(yùn)。(A)?利用谷霍爾拓?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)顆粒輸運(yùn)示意圖。(B)?元胞能帶結(jié)構(gòu)。插圖為兩種谷態(tài)(q?和p?)的模擬本征場(chǎng)分布。(C)?超胞能帶結(jié)構(gòu)及通過傅里葉變換得到的相應(yīng)頻譜。(D)?在470 kHz頻率下,谷霍爾拓?fù)浣^緣體中的仿真聲壓場(chǎng)分布,平面波從左邊界入射。(E)?晶格B和晶格A-B界面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量透射譜。在帶隙范圍內(nèi)(如黑色虛線標(biāo)注)可觀察到明顯的拓?fù)洳▊鬏敗?/span>

圖2: 直線型拓?fù)洳▽?dǎo)中的駐波與質(zhì)量輸運(yùn)。(A) 實(shí)驗(yàn)樣品及駐波激勵(lì)示意圖。插圖標(biāo)明了晶格A-B界面(x-z平面)與顆粒操控觀測(cè)平面(x-y平面),紅色虛線標(biāo)示x-y平面中晶格A與B的分界處。(B) 和 (C) 不同相位差條件下x-y平面的模擬聲壓場(chǎng)與x-z平面的實(shí)測(cè)聲壓場(chǎng)。其中z軸原點(diǎn)位于柱體上表面。(D) 距A-B界面四個(gè)晶格常數(shù)距離處的x-z平面聲壓場(chǎng)分布。(E) PDMS顆粒在拓?fù)渫ǖ乐械妮斶\(yùn)。(F) 相位差φ遞增與遞減時(shí)顆粒往返仿真運(yùn)動(dòng)軌跡。(G) 顆粒位移隨φ的變化關(guān)系。插圖標(biāo)注了φ=0,2.5π,5π時(shí)的顆粒位置(從左至右)。(H) x與y方向聲輻射力隨φ的變化關(guān)系。插圖標(biāo)注當(dāng)Fy達(dá)到峰值時(shí)顆粒的位置(實(shí)心圓)及下一時(shí)刻位置(空心圓)

圖3:聲學(xué)拓?fù)洳▽?dǎo)(ATW)中的聲微流控技術(shù)。(A) 帶有拐角缺陷的ATW中的穩(wěn)健顆粒輸運(yùn)。(B) 聲子晶體波導(dǎo)(PCW)中的顆粒運(yùn)動(dòng)。(C) ATW和PCW中顆粒(PCW以圖B中顆粒1為例)沿x和y方向的位移。(D) 帶有空腔缺陷的ATW中的顆粒輸運(yùn)。(E) 聲波分別從結(jié)構(gòu)兩側(cè)入射時(shí),圖D橙色矩形標(biāo)注區(qū)域聲場(chǎng)的相位云圖及等高線圖。(F) 聲輻射力將ATW界面外的PDMS顆粒吸引至界面

圖4:拓?fù)滟|(zhì)量循環(huán)。(A) 拓?fù)渎晫W(xué)循環(huán)器示意圖。(B) 聲波從端口P1和P2入射時(shí)的仿真聲壓場(chǎng)分布。黑色箭頭描繪了聲輻射力的方向。(C)至(E)分別展示從端口P1到P2、從P2到P3、從P3到P1質(zhì)量輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(F) 三個(gè)端口處聲源相位的時(shí)序變化,以及在(C)至(E)中標(biāo)記的六個(gè)點(diǎn)處計(jì)算得到的聲壓幅值
視頻1: 相位調(diào)控時(shí)間間隔(△t)和入射聲壓(p0)對(duì)顆粒輸運(yùn)的影響
視頻2: 直線型拓?fù)洳▽?dǎo)中操控顆粒智能避障“波浪式”前進(jìn)
視頻3:聲學(xué)拓?fù)洳▽?dǎo)中的顆粒運(yùn)動(dòng)
視頻4: 傳統(tǒng)聲子晶體波導(dǎo)中的顆粒運(yùn)動(dòng)
視頻5: 含有空腔缺陷的拓?fù)洳▽?dǎo)中的顆粒輸運(yùn)
視頻6: 拓?fù)滟|(zhì)量循環(huán)輸運(yùn)
附件下載: